Клапаны регулирования расхода воздуха регулируют движение и объем сжатого воздуха в пневмосистемах. Эти клапаны контролируют скорость цилиндра, регулируют уровни давления и направляют потоки воздуха, регулируя внутренние дроссельные каналы. В отличие от гидравлических систем, работающих с несжимаемыми жидкостями, управление потоком воздуха должно учитывать сжимаемость газа — характеристику, которая существенно влияет на расчет расхода и точность управления.
Как работают клапаны управления воздушным потоком
Основной механизм включает изменение сечения потока внутри корпуса клапана для создания перепада давления (ΔP) между секциями выше и ниже по потоку. Этот перепад давления напрямую контролирует скорость газа и массовый расход.
Внутри клапана подвижный компонент — обычно золотник, тарельчатый клапан или игла — позиционируется таким образом, чтобы изменять площадь поперечного сечения, доступную для прохождения воздуха. Положение этого элемента зависит от баланса сил. В типичном золотниковом клапане сжатый воздух воздействует на один конец золотника, в то время как механическая пружина или противодействующая электромагнитная сила толкает его с другого конца. Когда пневматическое давление превышает силу предварительного натяга пружины, золотник смещается и изменяет конфигурацию воздушного канала.
Клапаны одностороннего действияиспользуйте давление воздуха для движения в одном направлении и полагайтесь на возврат пружины.Клапаны двойного действияиспользуйте перепад давления воздуха для переключения золотника между положениями без помощи пружины, обеспечивая функцию «памяти», которая сохраняет последнее заданное положение даже после потери мощности.
Физика жидкостей: Cv, Kv и критический поток
Коэффициент расхода: значения Cv и KvИнженеры используют стандартизированные коэффициенты расхода для выбора клапанов для различных условий давления и типов сред.
- Значение Kv (Метрика):Объем воды (м³/ч), протекающий при перепаде давления 1 бар. Используется в Европе/по всему миру.
- Значение Cv (британские):Расход воды в галлонах США в минуту (галлонов в минуту) при температуре 60°F и перепаде давления 1 фунт на квадратный дюйм. Используется в Северной Америке.
Kv = 0.857 × Cv
Cv = 1.165 × Kv
Докритический потокпроисходит, когда давление ниже по потоку (P₂) остается относительно высоким. Скорость потока зависит как от давления на входе, так и на выходе.
Сверхкритический (задушенный) потокпроисходит, когда скорость газа достигает 1 Маха в горловине клапана (обычно когда P₁ ≥ 2P₂). Дальнейшее снижение давления на выходе не приводит к увеличению массового расхода. Это намеренно используется в полупроводниковых приложениях для поддержания стабильной скорости потока.
Динамический ответ:Для высокоточного управления решающее значение имеют такие параметры, как время отклика (5–15 мс для клапанов высокого класса) и гистерезис (остаточная магнитная индукция). Высокоточные клапаны ограничивают гистерезис до 2-3%, в то время как стандартные промышленные клапаны могут иметь 7-15%.
Типы клапанов регулирования воздушного потока
Клапаны регулирования расхода воздуха делятся на три функциональные категории: регулирование направления, регулирование расхода и регулирование давления.
Распределительные клапаны (DCV)
Гидрораспределители действуют как логические переключатели в пневматических цепях.
| Тип клапана | Описание | Типичные применения |
|---|---|---|
| 2/2-ходовой | Два порта, два положения (вкл/выкл) | Простая продувка, отключение подачи воздуха |
| 3/2-ходовой | Три порта, два положения | Управление цилиндрами одностороннего действия, тормозные системы |
| 5/2-ходовой | Пять портов, две позиции | Управление цилиндром двойного действия (выдвижение/втягивание) |
| 5/3-ходовой | Пять портов, три положения (центральная нейтраль) | Остановка цилиндра в середине хода |
Управление потоком: регулирование скорости
Выход счетчика (стандарт):Ограничивает скорость выхлопных газов. Создает противодавление («воздушную подушку»), которое увеличивает жесткость системы и сглаживает движение поршня, предотвращая прерывистое движение даже при изменении нагрузки.
Входной метр:Ограничивает попадание воздуха в цилиндр. Без противодавления выхлопных газов поршень может вибрировать или неконтролируемо ускоряться, если направление нагрузки соответствует движению (например, движению вниз). Используется только для цилиндров одностороннего действия или постоянных постоянных нагрузок.
Международные стандарты и соответствие
ISO 1219 (Символы):Универсальный язык схем. Квадраты представляют позиции; стрелки показывают поток.
ISO 5211 (Монтаж):Определяет размеры фланца (F05, F07) и приводного вала для взаимозаменяемости привода.
ANSI/FCI 70-2 против API 598 (утечка):
- FCI 70-2 Класс VI:Допускает мельчайшие утечки (пузырей/мин) для регулирующих клапанов с мягким седлом.
- API 598:Для запорных клапанов требуется «видимая нулевая утечка».
Примечание. Никогда не применяйте FCI 70-2 к предохранительным запорным клапанам.
ISO 18562 (Биосовместимость):Крайне важно для аппаратов искусственной вентиляции легких, поскольку ограничивает выбросы твердых частиц и летучих органических соединений.
Отраслевые приложения
ОВиК: независимость от давленияСовременные умные здания используютРегулирующие клапаны, независимые от давления (PICV). В отличие от традиционных клапанов, зависящих от давления, PICV измеряют фактический расход воздуха и регулируют заслонки для поддержания постоянного значения кубических футов в минуту независимо от колебаний статического давления в воздуховоде, устраняя колебания системы.
Автомобильная промышленность: Электронное управление дроссельной заслонкой (ETC)Evolution перешла от отдельных клапанов управления холостым ходом (IAC) к интегрированному ETC. Современные автомобили с электроприводом используют главный двигатель дроссельной заслонки для управления холостым ходом, устраняя проблемы с накоплением углерода, связанные с перепускными каналами.
Полупроводник: сверхчистотаПроцессы на мокром стенде требуют полной конструкции из ПТФЭ/ПФА или клапанов с футеровкой из фторполимера для предотвращения загрязнения ионами металлов. Сильфонные уплотнения входят в стандартную комплектацию и гарантируют отсутствие утечек токсичных сред.
Цифровая трансформация: интеллектуальное управление потоками воздуха
Умные позиционеры:Включите автокалибровку в одно касание и онлайн-анализ трения. Контролируя ток привода в зависимости от смещения, они могут обнаружить заедание клапанов до того, как произойдет заедание.
Тестирование частичного хода (PST):В системах безопасности PST дает команду ESD-клапанам перемещаться на 10–20 % без остановки производства. Это подтверждает, что клапан не заклинен, что значительно снижает вероятность отказа по требованию (PFDavg).
ИО-ссылка:Революция в проводке. Заменяет пучки параллельных проводов одним 3-жильным кабелем, передающим данные процесса (давление, расход) и данные о событиях (перегрев катушки) в реальном времени на ПЛК.
Техническое обслуживание и обзор рынка
Устранение распространенных неисправностей
| Режим отказа | Симптомы | Распространенные причины |
|---|---|---|
| Внешняя утечка | Слышимое шипение | Старение уплотнения, неправильный момент затяжки |
| Внутренняя утечка | Поток воздуха на выхлопе в закрытом состоянии | Изношенные уплотнения золотника, мусор |
| Стикшн | Вялый/прерывистый ответ | Налет лака, засохшая смазка |
| Перегорание катушки | Нет магнитной силы | Застрявшая катушка вызывает высокий пусковой ток |
Обзор рынка на 2025-2034 гг.
Прогнозируется, что рынок достигнет ок. 16,27 млрд долларов США к 2034 году. Ключевые тенденции включают в себя сдвиг в сторонуумные клапаны(обусловлено спросом на полупроводники и очистку сточных вод) иустойчивость цепочки поставок. Производители столкнулись с парадоксом: «более умные» лампы более уязвимы к нехватке полупроводников, что требует новых стратегий в области локализации и поиска компонентов.
