Пневматические приводы: Scotch Yoke, Rack & Pinion и Vane

Среди четвертьоборотных пневматических приводов используются два схожих конструкционных решения − Scotch yoke и Rack & pinion. В случае обоих вариантов линейное движение поршня, приводящегося в движение сжатым воздухом, преобразуется во вращательное движение вала привода.

Rack & pinion actuator по-русски называется приводом с реечной передачей,
Scotch yoke actuator по-русски называется приводом с синусным кулисным механизмом,
Vane actuator по-русски называется лопастным приводом.

Scotch yoke

Scotch yoke, или синусный кулисный механизм, преобразует линейное движение во вращательное с помощью кулисного принципа работы механизма. Для иллюстрации можно вспомнить колеса старых паровозов, где линейное движение парового цилиндра преобразуется во вращение колеса, или можно обратиться к знакомому всем поршневому мотору, где движение цилиндра вверх/вниз преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

Синусный кулисный механизм (Scotch yoke) хорошо характеризуется в следующих видео:

Изготовление синусного кулисного механизма является относительно простым и не требует большой точности обработки. Его характерной особенностью является изменение момента (мощности привода) в случае различных позиций поршня.

Scotch yoke − механизм с линейно передвигающимся шатуном (yoke), соединенным со скользящим штырем (pin) и вставленным в паз кулисы (scotch).

В приводах для клапанов и других четвертьоборотных устройствах вращательное движение привода ограничено 90 градусами, что, например, в случае четвертьоборотного клапана (обратный клапан, шаровой кран и т. д.) означает переход от открытого положения к закрытому и наоборот.

В приводе сжатым воздухом приводятся в движение поршни, в верхней части которых расположены штифты (pin). Штифты проходят через отверстие в рычаге вала привода, вызывая вращательное движение рычага привода.

Привод кулисного типа (Scotch yoke).
Показана как полностью пневматическая (Double action) конструкция,
так и конструкция с возвратной пружиной (Single action).

В приводах кулисный механизм (Scotch yoke) сконструирован таким образом, что максимальный момент появляется именно там, где он нужен больше всего − в начальной и конечной стадии движения, т. е., например, в случае такого исполнительного устройства, как клапан, в положении открытия и закрытия.

Достижение благодаря такой конструкции максимального момента в начальной и конечной стадии движения является хорошим решением, так как в большинстве случаев максимальный момент требуется устройствам именно при начале или прекращении движения. Примером как раз и являются клапаны, открываемые и закрываемые поворотным движением. Данное свойство является особенно важным в случае применения больших сил (при габаритном оборудовании). КПД кулисного механизма (Scotch yoke) составляет 70−90%.

Важнейшей особенностью кулисного механизма является износ вследствие скольжения штифта в пазу рычага.

Проспект привода с кулисным механизмом (Scotch yoke) серии Rotork RC можно найти ЗДЕСЬ.

В приводе используются два решения:

• Double acting – полностью пневматическое, т. е. движение сжатым воздухом в обоих направлениях
• Single acting – с возвратной пружиной, т. е. движение в одном направлении с помощью сжатого воздуха и в обратном направлении с помощью пружины

Использование возвратной пружины позволяет приводу закрываться самостоятельно (Fail safe) даже в случае, если по какой-либо причине пропадает давление воздуха. Именно поэтому пневматические приводы с возвратной пружиной часто используются в качестве защитных устройств для работы с опасными веществами и обеспечивают работу оборудования (например, закрытие клапанов) независимо от наличия сжатого воздуха.

Rack and pinion

В случае механизма Rack and pinion, т. е. реечной передачи, линейное движение зубчатой рейки преобразуется во вращательное движения сцепленного с ней зубчатого колеса. Например, данное решение широко применяется для рулевого управления автомобилей. Характерной особенностью конструкции реечной передачи является сохранение постоянного момента (мощности) на протяжении всего цикла движения.

Название Rack & pinion происходит от принципа вращательного движения зубчатого колеса (pinion) относительно зубчатой рейки (rack).

Чертеж, демонстрирующий принцип работы реечной передачи (Rack & pinion) приведен ниже.

Реечная передача является очень износостойким решением, так как в его случае отсутствует возникающее при скольжении трение, благодаря чему зубчатое колесо способно переносить более высокие нагрузки, необходимые в случае мощных установок.

Благодаря постоянству момента в случае механизма с реечной передачей приводы с реечной передачей используются с устройствами и клапанами, использующими вращательное движение, в случае которых требуется высокая точность. КПД привода с реечной передачей составляет 85−90 % в случае привода с одной ведущей рейкой и 92−97 % в случае привода с двумя ведущими рейками.

Проспект привода с реечной передачей серии Rotork GT можно найти ЗДЕСЬ.

График моментов приводов

Полностью пневматическая конструкция - double acting:

Красная непрерывная линия обозначает момент привода с кулисным механизмом (Scotch yoke)

Черная прерывистая линия обозначает момент привода с реечной передачей (Rack & pinion)

Синяя область обозначает типичный график момента, потребляемого обратным клапаном

Стоит обратить внимание на следующее свойство приводов с кулисным механизмом: момент окончания движения меньше момента начала движения (примерно на 75 %). При выборе приводов с возвратной пружиной следует учитывать то, что в стадии окончания хода уменьшается и момент, обеспечиваемый пружиной.

Например, для обратного клапана с эластичным уплотнением (soft seated butterfly) максимальный момент требуется именно в начале хода при открытии, а для обратного клапана с металлическим уплотнением максимальный момент требуется в конце хода, чтобы обеспечить плотность, – эти различия необходимо учитывать при выборе как привода, так и механизма с возвратной пружиной.

Как правило, изготовители рекомендуют в случае более крупных устройств и клапанов, требующих открытия/закрытия, выбирать кулисный механизм (Scotch yoke), используя преимущество большего момента в начале и конце движения, что позволяет использовать поршни привода меньшего диаметра, т. е. менее крупный и более дешевый привод, чем привод с реечной передачей.

Механизм реечной передачи (Rack & pinion) рекомендуется использовать в случае регулируемых приводов, так как в случае приводов с кулисным механизмом (Scotch yoke) существует проблема с фиксированием положения в средней части движения.

Привод с реечной передачей (Rack & pinion) следует выбирать в случае устройств, требующих движения более чем на 90°, например для привода для трехходовых или четырехходовых клапанов, требующих движения на 180°, так как максимальный предел движения привода с синусным кулисным механизмом (Scotch yoke) составляет 95°.

Vane

Третьей конструкцией для пневматических вентилей является привод с механизмом Vane, или лопастный привод. Данное решение распространено не слишком широко, но частота его применения постоянно растет.

В отличие от двух приводов, описанных ранее, в случае лопастного (Vane) привода не происходит преобразования линейного движения во вращательное, так как в корпусе под действием сжатого воздуха двигается лопасть, и, поскольку с одного конца она прикреплена к валу привода, ее движение вызывает вращение вала. Именно поэтому в лопастном приводе отсутствует механизм механической передачи и связанные с ним посторонние силы, вызывающие нагрузку на корпус и исполнительное устройство.

Конструкция лопастного (Vane) привода является значительно более простой, чем конструкция привода с кулисным механизмом (Scotch yoke) или механизмом реечной передачи (Rack & pinion). В данном случае отсутствие механической передачи обеспечивает высокую надежность и продолжительность срока службы. Благодаря отсутствию механизма передачи привод содержит меньшее количество деталей, что приводит к меньшему количеству претензий в отношении его качества. Таким образом, в случае лопастного (Vane) привода эксплуатационные расходы являются более низкими, чем в случае привода с кулисным механизмом или механизмом реечной передачи.

Выходной момент лопастного (Vane) привода является постоянным и позволяет достигать больших мощностей в небольшом корпусе (максимальный момент − 18 000 Н·м).

Лопастный (Vane) привод характеризует немедленное реагирование, т. е. он является очень быстрым, хорошо работает как с шаровыми кранами, так и с защитными обратными клапанами, и особенно хорошо функционирует в качестве привода для роторных задвижек и вентиляционных клапанов (damper).

Лопастный (Vane) привод является точным (точность модуляции более 0,25 %), на протяжении всего хода он реагирует немедленно и равномерно, благодаря чему такой привод хорошо функционирует в качестве регулировочного привода.

В случае лопастных приводов можно добавить самостоятельную функцию возврата (Fail safe). Для этого используется дополнительный резервуар сжатого воздуха или пружинный модуль со спиральной пружиной, крепящийся непосредственно с валу привода. Так как в лопастном приводе используется длинная спиральная пружина (тип часовой пружины), уменьшение момента при движении возвратной пружины является значительно меньшим по сравнению с линейным возвратом, используемым в приводах с кулисным механизмом или механизмом реечной передачи.

Проспект лопастного привода (Vane actuator) Rotork K-Tork можно найти ЗДЕСЬ.