Pnevmatski aktuatorji: dvosmerni pogon in ponastavitev vzmeti-analiza principa dvojnega in enojnega delovanja

V krmilnih sistemih industrijske avtomatizacije pnevmatski aktuatorji delujejo kot "mišice" industrijske opreme, pretvarjajo energijo stisnjenega zraka v mehanski navor in poganjajo ventile za odpiranje, zapiranje ali prilagajanje. Pnevmatski pnevmatski aktuatorji so razdeljeni v dve glavni vrsti glede na prenos energije in metode ponastavitve delovanja. Ključna razlika je v principu delovanja: dvojno{2}}delujoči aktuatorji se za premikanje v obe smeri zanašajo na stisnjen zrak, medtem ko Eno{3}} delujoči aktuatorji delujejo prek kombinacije pogona na stisnjen zrak in ponastavitve sile vzmeti. Naslednja analiza se bo poglobila v bistvene razlike med obema glede na njuna načela delovanja.

Dvo-delujoči pnevmatski aktuatorji delujejo po principu "dvosmernega pnevmatskega proženja." V notranjosti imajo običajno dvo-batni menjalnik z letvijo in zobatim zobatom. Cilindri so razdeljeni z batom v dve ločeni komori (splošno znani kot A in B). Obe komori sta opremljeni z vhodnimi/izhodnimi odprtinami. Stisnjen zrak izmenično vstopa in izstopa iz bata, nato pa poganja izhodno gred zobnika od 0 do 90 stopinj vrtenja (za ventile s kotnim gibom).

Specifični delovni proces lahko razdelimo na dve stopnji: ko krmilni signal nakaže, da se ventil odpre, vstopi stisnjen zrak v vstop v komoro A za elektromagnetnim ventilom. Na tej točki je zrak v komori B stisnjen in iztisnjen skozi izpušno odprtino v komori B. Premočrtno gibanje bata se pretvori v rotacijsko gibanje izhodne gredi (običajno se obrača od 0 do 90 stopinj v nasprotni smeri urinega kazalca) skozi ujemanje letve in zobnika, ki poganja ventil, da se odpre. Ko je treba zapreti ventil, krmilni signal spremeni status elektromagnetnega ventila. stisnjen zrak vstopa skozi vstop v komoro B in potiska bat v nasprotni smeri, da stisne komoro A. Zrak iz komore A se iztisne skozi izpušno odprtino, izhodna gred pa se zavrti v smeri urinega kazalca od 90 stopinj do 0 stopinj, da se ventil zapre.

Upoštevati je treba, da sta obe smeri gibanja pogona z dvojnim-delovanjem odvisni od stisnjenega zraka za moč. Izhodni navor je ves čas vožnje stabilen in linearen, zasnova pnevmatskega vezja pa omogoča prilagoditev gibanja, da ustreza dejanskim potrebam --ne glede na to, ali se zračni pogon v prostoru A vrti v nasprotni ali v smeri urinega kazalca --z usklajevanjem ustrezne logike aerodinamičnega krmiljenja. Ko je dovod zraka prekinjen, bo dvodelujoči aktuator zaradi izgube moči ostal v trenutnem položaju. Ta funkcija mu daje prednost prilagodljivega upravljanja brez potrebe po ponastavitvi v sili.

Za razliko od »popolnoma-pnevmatskih« dvojno{1}}delujočih aktuatorjev je osrednji koncept zasnove eno-delujočih pnevmatskih aktuatorjev »enosmerni pnevmatski pogon + ponastavitev vzvratne vzmeti«. Njihova struktura doda sklop ponastavitvene vzmeti za dvo-dejavno zasnovo. Vzmet je običajno nameščena na enem ali obeh koncih cilindra. Stiskanje in sprostitev vzmeti zagotavlja reakcijsko silo, s čimer se doseže varnostna funkcija ``samodejne ponastavitve izgube zraka``. Glede na stanje ponastavitve po izgubi plina lahko eno{9}}delujoče pogone razdelimo na dva načina: "zapiranje zaradi izgube plina" in "zapiranje zaradi izgube plina". Oba delujeta v približno enakem načinu, le da je vzmet nameščena v nasprotni smeri od logike delovanja.

Vzemimo bolj razširjen model »Fail-to-Open (FC)«. Deluje takole: Ko morate odpreti ventil, vstopi stisnjen zrak skozi vstop v komoro A. Zračni tlak presega silo prednapenjanja vzmeti, potisne bat ob stran vzmeti in postopoma stisne vzmet. Hkrati komora B deluje kot zračnik za iztiskanje zraka. Bat poganja mehanizem z zobato letvijo, da zavrti izhodno gred v nasprotni smeri urinega kazalca od 0 do 90 in odpre ventil. Ko je krmilni signal prekinjen ali vir plina odpove, komora A ustavi vsesavanje in začne odzračevati. V tem času pogon za stisnjen zrak izgine in stisnjena vzmet sprosti elastično potencialno energijo, ki poganja bat v nasprotni smeri in se ponastavi. Izhodna gred se vrti v smeri urinega kazalca za 90 stopinj do 0 stopinj in samodejno zapre ventil. Način »Fail{14}}to-Open (FO)« je nasproten: med postopkom sesanja stisnjen zrak potisne bat, da stisne vzmet in zapre ventil; po izgubi zraka se vzmet ponastavi, zaradi česar se ventil odpre.

Izhodni navor eno-delujočega aktuatorja kaže edinstven vzorec spreminjanja: v fazi pnevmatskega pogona se s povečanjem stiskanja vzmeti postopoma povečuje obrnjeni upor, zaradi česar se izhodni navor faze ponastavitve pnevmatskega giba zmanjša z največjega. Ta funkcija navora zahteva skrbno ujemanje največjega upornega navora ventila med postopkom izbire, da se zagotovi zanesljivo delovanje tudi na koncu vožnje.

Razlika med pnevmatskim aktuatorjem z dvojnim-delovanjem ter pnevmatskim aktuatorjem z dvojnim{1}}delovanjem in enojnim-delovanjem ni le način vožnje, ampak tudi obsežna razlika od strukturne zasnove do funkcionalne zmogljivosti. Te razlike je mogoče jasno opredeliti v treh glavnih razsežnostih:
Prvič, bistvena razlika med mehanizmi za napajanje in ponastavitev
Ključna razlika med obema je, da se delovanje »vklopa« in »izklopa« aktuatorja z dvojnim-delovanjem zanaša na stisnjen zrak kot edini vir energije, dejanje ponastavitve pa je aktivni pnevmatski-pogon, medtem ko aktuator z enojnim-delovanjem uporablja hibridni mehanizem »pnevmatski pogon + ponastavitev vzmeti«, pri katerem samo eno delovanje poganja pnevmatski tlak, drugo pa elastična pasivnost vzmeti. Zaradi te razlike je delovanje dvojno{5}}delujočih aktuatorjev bolj prilagodljivo in nadzorovano, enojno-delujoči aktuatorji pa imajo funkcijo varnostne ponastavitve, ki je dvojno-delujoči aktuatorji ne morejo nadomestiti v primeru izgube plina.
Drugič, izhodne značilnosti in krmilna logika so drugačne.
Brez vzmetnega upora dvojno{0}}delujoči aktuatorji ohranjajo enakomeren linearni izhodni navor v obe smeri in jih lahko elektromagnetni ventil zaustavi v katerem koli položaju (skupaj z elektromagnetnim ventilom v nevtralnem položaju), zaradi česar je primeren za situacije, ki zahtevajo natančno nastavitev. Na eno-delujoče pogone vpliva sprememba sile vzmeti in značilnost izhodnega navora se zmanjša. Lahko ostane samo v skrajnem položaju ``vklopljeno`` in ``izklopljeno`` in ne more realizirati natančnega nadzora vmesnega položaja. Vendar jih je mogoče ponastaviti brez neprekinjenega napajanja, zaradi česar je krmilna logika enostavnejša.
Tretjič, varnostne funkcije in scenariji uporabe so različni.
Dvojno{0}}delujoči aktuatorji ostanejo v položaju po izgubi plina, nimajo aktivnih varnostnih funkcij, zaradi česar so primerni za običajne delovne pogoje in nimajo posebnih zahtev za izgubo plina, kot so tradicionalni cevovodi za transport tekočin. Funkcija »Samodejna ponastavitev izgube plina« eno-delujočih aktuatorjev je bistvena za transport vnetljivih, eksplozivnih ali strupenih medijev, kot so kemikalije, rafiniranje nafte in zemeljski plin, in lahko prepreči stopnjevanje varnostnih nesreč s hitrim zapiranjem ali odpiranjem ventilov v primeru nenadne okvare.
Zaključek: Načela za prilagoditvene scenarije; Izbira določa varnost in učinkovitost
Kar zadeva načelo delovanja, je dvo{0}}delujoči pnevmatski aktuator ``učinkovit in prilagodljiv univerzalni aktuator``, ki z dvosmernim pnevmatskim pogonom dosega gladko in nadzorovano gibanje. eno{2}}delujoči aktuatorji so ``posebni aktuatorji z varnostjo kot jedro'', ki sprejme kombinirani mehanizem ``pnevmatika + vzmet" za vzpostavitev varnostne linije napak. V industrijskem scenariju ni absolutne superiornosti med obema. Ključno je, ali se popolnoma ujemajo z operativnimi zahtevami-načelo vzmetne ponastavitve enojno{7}}delujočih aktuatorjev je nepogrešljivo, ko proces zahteva zanesljivo odziv v sili, princip popolnoma-pnevmatskega pogona aktuatorjev z dvojnim{9}}delovanjem pa je bolj ugoden, če imata prednost fleksibilno krmiljenje in stabilen izhod. To je osnovna predpostavka za uresničitev varnega in učinkovitega delovanja pnevmatskih krmilnih sistemov za razumevanje razlike med obema delovnima principoma.