Dimensionamento dell'attuatore della valvola: una guida tecnica completa passo dopo passo per un funzionamento affidabile

Cosa significa effettivamente il dimensionamento dell'attuatore della valvola

La risposta corretta alla domanda "quanto dovrebbe essere grande l'attuatore della mia valvola?" è semplice: l'attuatore deve erogare più coppia di quella richiesta dalla valvola, nel punto peggiore della corsa, alla condizione di erogazione più bassa che si può garantire. Ogni buon metodo di dimensionamento è semplicemente un modo strutturato per dimostrare quella condizione. Il punto di partenza industriale standard è a margine minimo di sicurezza della coppia del 25% superiore alla coppia di rottura massima pubblicata dal produttore della valvola.

Un attuatore di dimensioni troppo piccole entra in stallo prima che la valvola raggiunga il finecorsa, lascia la valvola solo parzialmente aperta o chiusa, assorbe corrente eccessiva e alla fine si guasta per surriscaldamento o stallo continuo. Un attuatore di dimensioni troppo grandi può essere altrettanto dannoso: sbatte la valvola nelle sue sedi, piega gli steli, sollecita eccessivamente il trim e rende difficile un controllo preciso. Il dimensionamento non significa quindi scegliere l'attuatore più grande che puoi trovare. Si tratta di dimostrare che il punto più basso della curva dell'attuatore si trova al di sopra del punto più alto della curva della coppia della valvola.

In conclusione: il sottodimensionamento provoca il mancato funzionamento, mentre il sovradimensionamento sconsiderato provoca danni meccanici. Un calcolo documentato della coppia protegge sia la valvola che l'attuatore e fornisce al team di progetto un record che può ricontrollare quando cambiano le condizioni del processo.

I valori di coppia che guidano ogni calcolo del dimensionamento

Il dimensionamento inizia con i dati di coppia forniti dal produttore della valvola. Per una valvola a un quarto di giro sono necessari quattro valori: coppia di rottura, coppia di funzionamento, coppia finale e coppia di chiusura massima alla pressione differenziale di progetto. Per una valvola lineare sono necessari i valori di spinta equivalenti. Senza questa scheda tecnica, qualsiasi scelta dell'attuatore è un'ipotesi.

Valvole a un quarto di giro: rottura, funzionamento e coppia finale

• Coppia di rottura è la coppia necessaria per avviare la rotazione e rimuovere la sfera, il disco a farfalla o l'otturatore. Questo è normalmente il valore più alto del ciclo, soprattutto per le valvole con sede resiliente dove la sede fa presa sull'elemento di chiusura.
• Coppia di marcia è la coppia necessaria per mantenere la valvola in movimento. Consiste principalmente nell'attrito dell'imballaggio, dell'attrito del cuscinetto e della coppia di flusso che agisce sul disco o sulla sfera.
• Coppia finale appare nella posizione completamente aperta o completamente chiusa, a causa della compressione della sede, dei fermi corsa e, in alcuni modelli, del carico della pressione di processo sull'elemento di chiusura.

Valvole lineari: carico sulla sede, attrito della baderna e squilibrio

• Carico del sedile è la forza necessaria per premere l'otturatore o la saracinesca nella sede per ottenere la classe di intercettazione richiesta. Spesso è più elevato per le valvole con sede metallica che per le valvole con sede morbida.
• Attrito dell'imballaggio è la resistenza dello stelo allo scorrimento attraverso il premistoppa. Aumenta con l'invecchiamento della baderna ed è sempre più elevato dopo alcuni cicli di servizio della valvola.
• Squilibrio idraulico è la forza della pressione di processo che agisce sull'area effettiva dell'otturatore. Per una valvola a globo a sede singola in servizio con elevate perdite di carico, questo termine può dominare il calcolo della spinta.

Procedura di dimensionamento passo passo dell'attuatore della valvola

Utilizzare questa procedura sia per le nuove valvole che per i progetti di retrofit. Funziona con attuatori pneumatici, idraulici ed elettrici, cambiando solo il calcolo della coppia di alimentazione tra le tecnologie.

1. Richiedi la scheda di coppia della valvola. Ottenere i valori di rottura, funzionamento e coppia finale alla pressione differenziale massima e alla temperatura massima. Prendere nota anche delle dimensioni dell'azionamento dello stelo e delle dimensioni della flangia di montaggio.
2. Applicare il fattore di sicurezza. Moltiplicare la coppia della valvola più alta pubblicata per almeno 1,25. Per servizi sporchi, abrasivi o ad alto ciclo, utilizzare 1,5 o superiore.
3. Definire la posizione di sicurezza. Decidere se la valvola deve aprirsi, chiudersi o rimanere in posizione in caso di perdita di alimentazione o aria. Ciò determina il tipo di attuatore e i requisiti della molla.
4. Confermare le condizioni di fornitura. Registrare la pressione pneumatica minima garantita, il campo di pressione idraulica o la tensione di alimentazione elettrica disponibile nella posizione dell'attuatore.
5. Selezionare un attuatore di prova. Confrontare la coppia di uscita del catalogo dell'attuatore alla pressione di alimentazione minima con la coppia richiesta incluso il fattore di sicurezza.
6. Verificare ogni punto di coppia. Per gli attuatori con ritorno a molla, controllare le coppie di avvio dell'aria, del gruppo aria, dell'avvio della molla e dell'estremità della molla. Per gli attuatori a doppio effetto, controllare l'uscita alla pressione di alimentazione minima in entrambe le direzioni.
7. Controllare il tempo di corsa e gli accessori. Verificare che l'attuatore aziona la valvola entro il limite di tempo del processo, che l'interfaccia di montaggio corrisponda alle dimensioni ISO 5211 e che posizionatori, interruttori di finecorsa o elettropiloti non sovraccarichino l'uscita dell'attuatore.

Questa sequenza sembra semplice, ma la fase di verifica è quella in cui sopravvive la maggior parte degli errori di dimensionamento. Eseguire sempre il controllo della coppia in quattro punti prima di approvare l'acquisto di un attuatore con ritorno a molla.

Fattori di sicurezza: quanto margine di coppia è sufficiente

Il fattore di sicurezza è la parte più semplice e fraintesa del dimensionamento di un attuatore. Non è consentito scegliere un modello più grande a caso. Si tratta di una deliberata tolleranza per le incertezze che compaiono in ogni installazione reale: tolleranza di misurazione della coppia, invecchiamento della baderna, usura della sede, pressione differenziale fuori progetto e fluidi di processo sporchi. Ognuno di questi aumenta la coppia effettivamente richiesta dalla valvola rispetto alla scheda tecnica della valvola fresca.

Scrivere il fattore di sicurezza scelto nelle specifiche tecniche in modo che il prossimo ingegnere, o il fornitore del pacchetto valvole, possa riprodurre esattamente il calcolo. Un margine non documentato verrà rinegoziato ad ogni riunione di progetto e il risultato è spesso un attuatore inutilmente grande acquistato per risolvere una controversia.

Dimensionamento fail-safe con ritorno a molla: il controllo in quattro punti

Un attuatore con ritorno a molla produce una coppia diversa in ogni posizione perché la molla si comprime durante la corsa dell'attuatore. La coppia dell'aria è massima quando l'attuatore inizia a muoversi e minima quando la molla è completamente compressa. La coppia della molla è l'opposto: più bassa in posizione aperta, più alta in posizione chiusa. Ecco perché un solo numero di coppia non è mai sufficiente per un attuatore fail-safe.

Per un attuatore con ritorno a molla con chiusura in caso di guasto, verificare questi quattro punti operativi nell'ordine:

• Avvio ad aria (valvola chiusa, aria applicata): l'attuatore deve superare la coppia di rottura della valvola con la pressione dell'aria e iniziare ad aprirsi. La coppia di avviamento dell'aria deve essere maggiore della coppia di frenata.
• Gruppo aria (valvola aperta, molla compressa): la coppia dell'aria è al punto più basso. Deve essere comunque maggiore della coppia di funzionamento, altrimenti la valvola rallenterà e si fermerà prima di raggiungere la posizione aperta.
• Inizio primavera (valvola aperta, sfiato aria): la molla inizia a chiudere la valvola. La coppia di avviamento della molla deve essere superiore alla coppia di funzionamento, altrimenti la valvola entrerà in stallo a metà corsa.
• Estremità della molla (valvola chiusa, molla posizionata): la coppia della molla è al massimo. La coppia all'estremità della molla deve essere sufficientemente elevata da garantire la perfetta tenuta della valvola alla pressione differenziale.

Un errore comune è il controllo solo della coppia finale della molla. In molti modelli di glifo, la coppia dell'aria diminuisce dal 30% al 50% tra la posizione aperta e quella chiusa. Se la coppia del gruppo pompante scende al di sotto della coppia di funzionamento, la valvola si sposterà verso la posizione chiusa durante il funzionamento normale e il posizionatore combatterà contro l'attuatore per tutto il giorno.

Esempio svolto: dimensionamento di un attuatore pneumatico per una valvola a farfalla

Il calcolo seguente utilizza valori illustrativi. Sostituiscili con i dati di coppia del produttore specifico della valvola prima di prendere una decisione di acquisto.

Un impianto di processo deve automatizzare una valvola a farfalla con sede resiliente da 6 pollici (DN150) per l'isolamento dell'acqua. Il produttore della valvola specifica una coppia di rottura di 200 Nm , una coppia di rotazione di 110 Nm , e una coppia finale di 90 N·m ad una pressione differenziale di intercettazione di 10 bar. L'alimentazione pneumatica disponibile è 5,5 bar . La valvola deve non riuscire a chiudersi in caso di perdita d'aria.

1. Potenza minima richiesta = 200 N·m × 1,25 = 250 Nm .
2. La chiusura in caso di guasto significa che è necessario un attuatore con ritorno a molla e la coppia dell'estremità della molla deve essere di almeno 250 N·m.
3. Un attuatore a glifo con ritorno a molla candidato fornisce: avviamento aria 380 N·m, estremità aria 300 N·m, inizio molla 160 N·m, estremità molla 275 N·m, tutti misurati a 5,5 bar di alimentazione.
4. La verifica in quattro punti è riassunta nella tabella seguente.

Controllare ora lo stesso attuatore con una pressione di alimentazione degradata di 4 bar. L'uscita pneumatica scala linearmente con la pressione: l'inizio dell'aria diventa 380 × 4 ÷ 5,5 = 276 N·m e l'estremità dell'aria diventa 218 N·m. I valori della molla non cambiano. Il margine di apertura si riduce da 180 N·m a 76 N·m, ma la configurazione passa comunque. Questo è il modo corretto di utilizzare un controllo della pressione: verificare sempre alla minima fornitura che puoi garantire, non alla pressione nominale dell'impianto.

Dimensionamento dell'attuatore idraulico per impieghi con coppia elevata e spazi ristretti

Gli attuatori elettrici e pneumatici ricevono la maggior parte dell'attenzione nelle guide generiche al dimensionamento, ma gli attuatori idraulici offrono la migliore densità di potenza tra le tre tecnologie. Poiché un sistema idraulico funziona normalmente a una pressione compresa tra 70 e 210 bar, anziché tra 3 e 8 bar come per l'aria dell'impianto, un cilindro idraulico compatto può produrre la coppia che richiederebbe un attuatore pneumatico molto più grande.

Fasi di dimensionamento per attuatori idraulici

Due differenze contano quando si dimensiona un attuatore idraulico. Innanzitutto, la potenza massima è impostata dall’impostazione della valvola di sicurezza, non dalla pressione massima della pompa. In secondo luogo, la coppia dell'attuatore viene calcolata dall'area effettiva del pistone e dalla pressione differenziale attraverso il pistone al momento del funzionamento. Lavorare all'indietro: scegliere prima l'impostazione della valvola di sicurezza perché definisce il limite massimo di coppia, quindi dimensionare il percorso del flusso per il tempo di corsa richiesto, quindi verificare che la pompa e il motore possano erogare il flusso.

Componenti che completano il circuito idraulico

Il circuito di controllo è il luogo in cui si verificano la maggior parte dei problemi di dimensionamento idraulico. In un pacchetto valvola-attuatore standard, a elettrovalvola idraulica cambia la direzione del flusso per estendere e ritrarre l'attuatore. A valvola di regolazione dell'unità di potenza regola la portata in modo che il tempo di corsa rimanga entro il limite del processo. A valvola di sicurezza dell'unità di potenza protegge la sede della valvola dai picchi di coppia limitando la pressione massima del sistema.

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La sequenza di dimensionamento di un pacchetto di attuatori idraulici è semplice. Calcolare la coppia richiesta dalla scheda tecnica della valvola e dal fattore di sicurezza. Convertire la coppia nel differenziale di pressione richiesto utilizzando l'area effettiva e il braccio di momento dell'attuatore. Impostare la valvola di sicurezza su un valore comodamente superiore a quella pressione, solitamente dal 10% al 20% più alto, in modo che l'attuatore possa sviluppare la coppia completa senza che la valvola di sicurezza si sollevi. Quindi dimensionare la pompa e il motore in modo che la portata sia sufficiente per azionare la valvola entro il tempo richiesto. Infine, verificare che l'elettrovalvola abbia un coefficiente di flusso sufficientemente grande e lasciare che la valvola di regolazione regoli con precisione la velocità della corsa.

Tutto ciò presuppone che tu capisca il principio di funzionamento di un sistema idraulico , in particolare il modo in cui il flusso della pompa, la risposta della valvola e lo spostamento dell'attuatore interagiscono durante una corsa veloce. In pratica, le centraline idrauliche sono relativamente facili da usare rispetto alle centraline meccaniche , motivo per cui l'azionamento delle valvole idrauliche è comune su valvole di isolamento di grande diametro, cancelli di serbatoi e attrezzature di sollevamento pesanti.

Sette errori di dimensionamento che causano guasti sul campo

La maggior parte dei guasti agli attuatori non sono causati da un prodotto difettoso. Sono causati da un calcolo incompleto in fase di progettazione. Questi sette errori compaiono ripetutamente nei rapporti sul campo e nei registri di messa in servizio.

1. Dimensionamento in base alla coppia di funzionamento anziché alla coppia di rottura. La valvola solitamente si avvia da ferma sotto la massima pressione differenziale, quindi la coppia di rottura è il valore che blocca un attuatore sottodimensionato.
2. Dimensionamento alla pressione nominale di alimentazione. Le forniture di aria e impianto idraulico dell'impianto fluttuano. Se l'uscita dell'attuatore è calcolata a 5,5 bar ma il minimo reale è 4 bar, il margine di sicurezza può scomparire completamente.
3. Aggiungendo il fattore di sicurezza due volte. Se il produttore della valvola include già un margine nella coppia di rottura pubblicata, un ulteriore 25% in più può spingere la selezione di una o due dimensioni troppo grande.
4. Oversize per sicurezza. Un attuatore molto sovradimensionato sbatte la valvola nella sede, piega gli steli e rende il controllo instabile. Il margine ha lo scopo di coprire l’incertezza, non di assorbire un’operazione approssimativa.
5. Controllo solo dell'estremità della molla di un attuatore con ritorno a molla. La coppia del gruppo pompante in un design a glifo può diminuire dal 30% al 50% e questo punto basso può essere il motivo per cui la valvola non raggiunge mai il punto di apertura.
6. Ignorando l'interfaccia di montaggio. Un calcolo corretto della coppia è inutile se la flangia dell'attuatore non corrisponde alle dimensioni dell'azionamento dello stelo della valvola. Confermare l'interfaccia prima dell'ordine, non durante la messa in servizio.
7. Saltare il controllo del tempo di corsa. Un attuatore con molta coppia può comunque essere troppo lento per un interblocco del processo di emergenza. Verificare sempre il tempo di corsa completo con la valvola pilota e la linea di alimentazione incluse.

Elenco di controllo delle taglie in preordine

Prima di finalizzare un ordine di acquisto, esamina questa lista di controllo avendo di fronte la scheda tecnica della valvola e il catalogo dell'attuatore. Una risposta negativa su qualsiasi articolo significa che la taglia non è completa.

• Confermare la rottura, il funzionamento e la coppia finale della valvola alla pressione differenziale massima e alla temperatura operativa massima.
• Applicare un fattore di sicurezza documentato pari ad almeno 1,25 e dichiararlo nelle specifiche.
• Definire la posizione di sicurezza e verificare sia la coppia di fine molla che quella di avvio molla per le unità con ritorno a molla.
• Registrare la pressione di alimentazione minima garantita disponibile sull'attuatore e dimensionarla utilizzando tale valore.
• Verificare le dimensioni della flangia di montaggio ISO 5211 e le dimensioni dell'azionamento dello stelo.
• Controllare il tempo di corsa completo rispetto ai requisiti del processo, comprese le perdite del solenoide e della linea.
• Specificare tutti gli accessori: posizionatore, finecorsa, valvola pilota a solenoide, intervento manuale e indicatore di posizione locale.
• Ripetere la verifica della coppia un'ultima volta alla condizione minima di fornitura prima di approvare l'ordine.

Se stai costruendo una centralina idraulica per azionare l'attuatore, rivedila la nostra guida all’acquisto della centralina idraulica CA prima di decidere la dimensione della pompa e del motore. Il requisito di coppia dell'attuatore diventa il requisito di pressione e flusso che l'unità di potenza deve fornire.

Domande frequenti: le domande più frequenti sul dimensionamento degli attuatori delle valvole vengono poste dagli ingegneri

Qual è la regola del fattore di sicurezza del 25% nel dimensionamento dell'attuatore?

La regola del 25% significa che la coppia di uscita dell'attuatore deve essere almeno 1,25 volte la coppia di rottura massima pubblicata della valvola. Copre l'incertezza di misura, l'invecchiamento della baderna e le piccole differenze tra la valvola testata e la valvola consegnata. Trattalo come un pavimento, non come un bersaglio. Aumentarlo a 1,5 o superiore quando il processo è sporco, abrasivo o critico per la sicurezza.

Perché gli attuatori con ritorno a molla necessitano di un controllo della coppia in quattro punti?

Perché la coppia erogata cambia con la posizione. La coppia dell'aria è massima all'inizio della corsa e minima quando la molla è completamente compressa; la coppia della molla è inversa. Un singolo valore di catalogo non può dirvi se la valvola si aprirà completamente, si chiuderà completamente e manterrà la posizione per tutta la corsa. Solo i valori di inizio aria, fine aria, inizio molla e fine molla possono farlo.

Il sovradimensionamento di un attuatore è dannoso?

SÌ. Un margine superiore a circa 2 volte la coppia di rottura richiesta può comprimere la sede oltre l'intervallo di progettazione, piegare lo stelo nei modelli con carico laterale, produrre colpi d'ariete durante la chiusura rapida e rendere molto difficile la regolazione del circuito di controllo. L'obiettivo è un margine positivo comprovato, non l'attuatore più grande del catalogo.

In che modo la pressione di alimentazione influisce sulla coppia di uscita dell'attuatore?

Per gli attuatori pneumatici, la coppia di uscita scala quasi linearmente con la pressione di alimentazione. Un attuatore che produce 380 N·m a 5,5 bar eroga solo 276 N·m a 4 bar. Per gli attuatori idraulici, la coppia varia in base alla pressione differenziale attraverso il pistone, che è limitata dall'impostazione della valvola di sicurezza. Dimensionare sempre alla pressione minima che il sistema può sostenere.

Quali dati di coppia devo richiedere al produttore della valvola?

Richiedere la coppia frenante, la coppia di funzionamento e la coppia finale alla pressione differenziale massima e alla temperatura massima, per entrambe le direzioni del flusso. Per le valvole lineari, richiedere il carico sulla sede, l'attrito della guarnizione e l'area sbilanciata. Chiedi anche se i valori pubblicati includono già un margine di sicurezza, in modo da non aggiungere un secondo margine in alto.

Quando dovrei scegliere l’attuazione idraulica rispetto a quella pneumatica o elettrica?

Scegli l'attuazione idraulica quando la coppia richiesta è molto elevata, quando lo spazio di installazione è limitato, quando l'aria dell'impianto è inaffidabile o scarsamente essiccata o quando è necessaria una forza costante indipendente dalle fluttuazioni dell'alimentazione d'aria. I sistemi idraulici sono inoltre particolarmente adatti per valvole di isolamento di grande diametro, paranchi e apparecchiature mobili in cui esiste già una fonte di energia idraulica.

Riassunto del dimensionamento finale

Il dimensionamento dell'attuatore della valvola è un ciclo di verifica, non una singola ricerca in tabella. Eseguire nuovamente l'operazione ogni volta che cambiano le dimensioni della valvola, la classe di pressione, il mezzo di processo o la pressione di alimentazione. Documenta ogni input (valore della coppia di rottura, fattore di sicurezza, coppia dell'estremità della molla e pressione di alimentazione minima effettivamente garantita) e conserva il file insieme alla scheda tecnica della valvola.

L'attuatore che supera tutti e quattro i controlli di coppia alla fornitura minima, soddisfa il tempo di corsa richiesto, si adatta alla flangia di montaggio standard e lascia un margine documentato è quello corretto. Questo è l'intero lavoro: fatto correttamente, impedisce la modalità di guasto più costosa in qualsiasi sistema di valvole: quella che appare solo dopo che l'attuatore è stato imbullonato e il processo è in esecuzione.