Управление четвертьоборотным шаровым клапаном с помощью шагового двигателя: руководство по крутящему моменту и разрешению

Почему четвертьоборотный и степпер уживаются вместе

Для режима включения/выключения шаговый двигатель, пожалуй, является наиболее естественным приводом, который можно прикрепить к четвертьоборотному шаровому крану. Весь диапазон движения клапана составляет 90 градусов, а вся характеристика шагового двигателя - дискретное, счетное положение. Стандартный двигатель с шагом 1,8 градуса делает 200 полных шагов за оборот, что означает ровно 50 полных шагов от полностью закрытого до полностью открытого. Подсчитайте шаги, и вы узнаете, где находится клапан, при этом для базового позиционирования не требуется энкодер.

Сторона крутящего момента также управляема. На форумах производителей регулярно сообщается об измерениях при повороте вручную в одном и том же диапазоне: в одном широко цитируемом тесте 2-дюймовый шаровой кран из ПВХ показал пиковый крутящий момент срыва примерно 7 фунт-фут, около 9,5 Нм. Это скромное число для мотора, но почти все оно сосредоточено на первых нескольких градусах хода, где сиденья сильнее всего прижимаются к мячу. В конструкциях с плавающим шаром давление в линии прижимает входное седло к шару, поэтому срывной момент увеличивается по мере увеличения перепада давления.

Если сам корпус клапана еще не установлен, просмотрите основные Типы и области применения четвертьоборотных клапанов перед покупкой оборудования, поскольку конструкция седла и форма отверстия определяют каждое последующее решение по приводу.

Крутящий момент – это весь проект

Скорость практически не имеет значения для клапана; крутящий момент решает, будет ли проект работать вообще. Шаровой кран требует кратковременного высокого крутящего момента при трогании и очень небольшого после него, что соответствует поведению шаговых двигателей на низкой скорости. Практическое правило простое: подобрать комбинацию двигателя и редуктора так, чтобы она в два-три раза превышала измеренный момент трогания с места при максимальном перепаде давления.

С точки зрения конструкции двигатель NEMA 17 с удерживающим моментом от 0,4 до 0,6 Нм является предельным для прямого привода на небольших латунных клапанах. NEMA 23 с крутящим моментом от 1 до 3 Нм и передаточным отношением от 3:1 до 5:1 подходит для большинства клапанов с мягким седлом размером примерно до 2 дюймов с запасом. Отверстия большего диаметра и конструкции с металлическими седлами перенесут вас на территорию NEMA 34.

Несколько условий незаметно повышают пусковой момент между расчетным днем и вводом в эксплуатацию:

• Более высокий перепад давления сильнее прижимает входное седло к шару.
• Длительная статическая посадка, поскольку эластомеры расползаются после нескольких дней или недель закрытия.
• Мягкие седла и уплотнения набухают при повышенной температуре.
• Мусор, накипь или кристаллизующаяся среда оседают в области сиденья.

Передача смещает сделку в вашу пользу. Коробка передач 5:1 умножает крутящий момент примерно в пять раз и делит скорость на тот же коэффициент, а это именно то, что нужно клапану, поскольку время хода от 10 до 30 секунд является нормальным даже в промышленной практике. Люфт коробки передач не имеет значения при открытом и закрытом режиме и имеет значение только тогда, когда вы пытаетесь дросселировать.

Плавающие шаровые краны с мягким седлом для двухпозиционного обслуживания Конструкция с плавающим шаром и мягкими седлами, такими как ПТФЭ или Витон, обеспечивает герметичное уплотнение в системах низкого и среднего давления. Благодаря зубчатой ​​передаче, сокращающей время перемещения, этот клапан подходит для режима открытия и закрытия, когда люфт и точность дросселирования не имеют значения. Посмотреть продукт →

Разомкнутый контур работает до того дня, пока он не перестанет работать

Шаговый двигатель с разомкнутым контуром работает на доверии: контроллер командует 50 шагами и предполагает, что 50 шагов произошло. Мусор в седле, скачок давления или вздутое уплотнение могут бесшумно испортить некоторые из этих этапов, в результате чего контроллер будет полагать, что клапан закрыт на клапане, пропускающем поток. Именно этот режим отказа, а не проводка или программное обеспечение, отличает игрушечные проекты от надежной автоматизации.

Шаговый никогда не знает, где находится клапан. Он знает только, где он приказал находиться клапану. Каждый пропущенный вами ньютон-метр запаса возвращается позже как пропущенный шаг.

Исправления дешевы по сравнению с поломкой. Установите концевые выключатели, чтобы контроллер мог вернуться в закрытое положение, отдайте предпочтение приводам с обнаружением остановки, которые определяют перегрузку по электрическому поведению двигателя, и возвращайтесь в исходное положение после любой неисправности, а не возобновляйте работу в середине хода. Самоблокирующийся червячный редуктор добавляет второй уровень комфорта, удерживая положение при отключении питания.

Модулирование потока: корпус клапана — слабое звено

Степпер может модулировать все, что вы к нему подключаете; будет ли результат похож на управление потоком, решает мяч. Стандартный шаровой кран с мягким седлом обладает характеристикой быстрого открытия: большая часть изменения пропускной способности происходит примерно в первой трети вращения, а остальные градусы практически не имеют значения. Вблизи закрытого седла дросселирование концентрирует весь перепад давления в узком зазоре, увеличивая скорость и вызывая эрозию, кавитацию в жидкостях и ускоряя износ седла.

Если целью является настоящее регулирование, используйте клапан, предназначенный для этого. Специальные шары, такие как конструкции с V-образным отверстием и C-образным отверстием, изменяют форму пути потока, поэтому производительность увеличивается более постепенно, обеспечивая гораздо лучшую гибкость диапазона и более повторяемую связь между количеством шагов и расходом. Проходные клапаны остаются эталоном точного непрерывного управления, но для бюджетного дросселирования с шаговым приводом разумным компромиссом является четвертьоборотный клапан.

Регулирующие клапаны V-Ball для точного регулирования Шарик с V-образным вырезом обеспечивает почти линейные характеристики потока и высокий диапазон регулирования, поэтому количество шагов шагового двигателя более предсказуемо соответствует потоку. Для экономичного регулирования он предлагает разумную золотую середину между стандартными шаровыми кранами и проходными клапанами. Посмотреть продукт →

Контрольный список размеров, который вы можете выполнить сегодня

Запустите эту последовательность действий, прежде чем переходить к оборудованию, и большинство сбоев шагового клапана никогда не произойдет:

1. Измерьте момент срыва при максимальном перепаде давления после 24-часовой статической выдержки, если клапан остается закрытым в течение длительного времени.
2. Размер двигателя и коробки передач должен быть в два-три раза больше, покупая запас с зубчатой ​​передачей, а не с большей рамой.
3. Рассчитайте количество шагов на градус для вашей настройки передачи и микрошага, а затем решите, действительно ли это разрешение необходимо.
4. Установите концевой выключатель в закрытом положении, в идеале также в открытом, и возвращайте его в исходное положение при каждом цикле или после любой неисправности.
5. Установите ток драйвера в соответствии с номиналом двигателя и убедитесь, что температура корпуса остается ниже 60 градусов по Цельсию при повторяющихся циклах езды.
6. Используйте муфту с предварительным натягом или безлюфтовую муфту между двигателем и штоком, тщательно выровняв ее перед окончательной затяжкой.
7. Перед подачей давления выполните не менее 100 циклов работы всухую, затем повторно измерьте момент трогания с места, чтобы выявить преждевременный износ седла.
8. Регистрируйте каждое событие остановки и относитесь к первому как к проблеме дизайна, а не как к неудаче.

Вывод

Шаговый двигатель и четвертьоборотный шаровой кран заслуживают друг друга, лишь бы ухаживание было честным. Ход двигателя под углом 90 градусов четко распределяется по счетным шагам, медленный ход удерживает двигатель в максимально возможном режиме, а скромная коробка передач превращает крутящий момент любительского класса в настоящую силу поворота клапана. Приложите инженерные усилия там, где действительно случаются сбои: измерьте крутящий момент срыва с помощью давления за седлом, установите привод на настоящий переключатель, а не на надежду, выберите клапан с заданными характеристиками, когда работа связана с дросселированием, а не изоляцией, и знайте момент, в котором настольная сборка должна передать ответственность сертифицированному оборудованию. Сделайте эти четыре вещи, и 50 шагов между закрытием и открытием через десять лет будут такими же, как и в первый день.