Pytanie: Jak dobrać i zaimplementować „zawory zwrotne” do utrzymywania obciążenia pionowego w celu zarządzania ryzykiem nagłej utraty ciśnienia powietrza?

Odpowiedź: Aby bezpiecznie przenosić obciążenia pionowe i kontrolować ryzyko nagłej utraty ciśnienia powietrza, integratorzy systemów muszą zainstalować zawory zwrotne sterowane pilotowo (zawory PO) bezpośrednio w portach cylindra pionowego. Standardowe zawory rozdzielające typu suwakowego charakteryzują się mikroskopijną wewnętrzną nieszczelnością spowodowaną luzami, co pozwala powietrzu uciekać i powoduje powolne opadanie obciążeń pionowych. Co ważniejsze, w przypadku utraty głównego ciśnienia zasilania – np. wskutek pęknięcia wężyka lub awarii kompresora – standardowy obwód natychmiast wyładuje się do atmosfery, powodując niekontrolowane spadanie ciężkiego obciążenia pionowego. Zawór zwrotny sterowany pilotowo zapobiega temu, działając jako mechaniczna uszczelka o zerowej nieszczelności. Pozwala on swobodnie doprowadzać powietrze do cylindra, lecz blokuje jego odpływ z portu cylindra, dopóki do wewnętrznego tłoczka sterującego nie zostanie przesłany dodatni sygnał pneumatyczny. W przypadku spadku ciśnienia w systemie sygnał sterujący jest tracony, a zawór... zawór zwrotny natychmiast zamyka się, zatrzymując sprężone powietrze w komorze cylindra i bezpiecznie utrzymując obciążenie na miejscu.

Wprowadzenie: Zagrożenia związane z pionowymi obciążeniami pneumatycznymi

W automatyzacji przemysłowej osie pionowe są bardzo powszechne. Pionowe cylindry pneumatyczne są szeroko stosowane do podnoszenia ciężkich elementów, podnoszenia bramek sortujących, sterowania pionowymi uchwytami zaciskowymi oraz obsługi główek indeksujących do pakowania. Jednak systemy pneumatyczne pionowe stwarzają poważne wyzwanie inżynieryjne, ponieważ muszą ciągle przeciwstawić się sile grawitacji.

W przeciwieństwie do siłowników poziomych, które po utracie ciśnienia po prostu przesuwają się i zatrzymują, pionowy cylinder przenoszący ciężki ładunek natychmiast opadnie, jeśli wspierające go sprężone powietrze zostanie odprowadzone. Taki nagły opad może spowodować zgniecenie operatorów, zniszczenie drogiego wyposażenia, uszkodzenie prowadnic liniowych oraz ogromne straty produkcyjne. Wyeliminowanie tego zagrożenia wymaga wybrania odpowiednich biernych elementów zabezpieczających. Jako uznany producent wysokiej niezawodności pneumatyki bezpieczeństwa AIRWORK dostarcza projektantom automatyki komponentów oraz wzorów obliczeniowych niezbędnych do realizacji bezpiecznych obwodów zabezpieczających w pozycji pionowej.

Dlaczego standardowe zawory rozdzielające są niewystarczające

Typowym błędem popełnianym przez początkujących projektantów systemów automatyki jest stosowanie standardowego zaworu elektromagnetycznego 5/3-drożnego o środkowym położeniu zamkniętym do utrzymywania obciążenia pionowego w stałej pozycji. Intuicyjne założenie brzmi, że gdy zawór znajduje się w swoim środkowym (zamkniętym) położeniu, wszystkie porty są zablokowane, co powoduje uwięzienie powietrza w obu komorach cylindra i zapobiega jego ruchowi. Jednak takie rozwiązanie jest wysoce niebezpieczne z dwóch powodów:

• Wyciek przez luz między tłoczkiem a korpusem zaworu: Standardowe zawory sterujące kierunkiem przepływu o pięciu portach wykorzystują tłoczek ślizgowy wykonany z metalu na metalu lub z uszczelnieniem miękkim. Aby umożliwić łatwe przesuwanie się tłoczka w przód i w tył, pomiędzy tłoczkiem a otworem zaworu musi istnieć bardzo mały luz montażowy. Z biegiem czasu – a nawet w zupełnie nowych zaworach – sprężone powietrze powoli przepływa przez ten luz. Ten mikroskopijny wyciek wystarcza, aby spowodować opadanie pionowego cylindra o kilka cali na godzinę, szczególnie przy dużym obciążeniu.
• Utrata ciśnienia w głównym zasilaniu: Jeśli pęknie główna linia zasilająca powietrzem od sprężarki lub jeśli naciśnięty zostanie przycisk awaryjnego zatrzymania i główny zawór odpowietrzający opróżni układ, całe ciśnienie przed zaworem sterującym spadnie do zera. Standardowy zawór sterujący nie jest w stanie zapobiec ucieczce powietrza z powrotem przez pękniętą rurę zasilającą, co skutkuje natychmiastowym i gwałtownym załamaniem się obciążenia pionowego.

Zasada działania zaworów zwrotnych sterowanych pilotowo (PO Checks)

Zawór zwrotny sterowany pilotowo to zawór typu siedziskowego zapewniający zerową przeciekowość, działający jako mechaniczna przesłona. Posiada on port wejściowy (P), port cylindra (A) oraz port sterowania pilotowego (X). Wewnątrz zaworu znajduje się zaworek kulowy obciążony sprężyną, który jest dociskany z dużą siłą do polerowanej metalowej powierzchni uszczelniającej, tworząc doskonałe, szczelne na powietrze połączenie.

• Wolny przepływ (podnoszenie): Gdy powietrze jest kierowane w celu podniesienia cylindra pionowego, sprężone powietrze wpływa do portu wejściowego P, pokonuje napięcie wewnętrznego sprężyny, unosi zaworową kulę z jej gniazda i swobodnie przepływa do portu cylindra A, powodując wysunięcie tłoka i podniesienie obciążenia.
• Zablokowany przepływ (utrzymanie): Gdy cylinder przestaje się poruszać, siła grawitacji próbuje przesunąć tłok w dół, co powoduje zwiększenie ciśnienia w porcie A. To uwięzione ciśnienie powietrza, w połączeniu z wewnętrzną sprężyną zaworu, jeszcze silniej przyciska kulę zaworową do jej metalowego gniazda. Powietrze jest całkowicie zablokowane w komorze cylindra, zapewniając brak jakiegokolwiek przemieszczenia.
• Zwrotna, sterowana operacja opuszczania: Aby obniżyć obciążenie, sprężone powietrze jest kierowane na przeciwną stronę cylindra (aby przesunąć tłok w dół) oraz jednocześnie na port sterowania zaworu zwrotnego z pilotowym otwarciem (X). Ciśnienie sterujące przesuwa wewnętrzny tłoczek do przodu, co fizycznie przesuwa metalowy sztyft i odciąga zaworową kulę od jej gniazda. Dzięki temu otwiera się ścieżka odpowietrzania, umożliwiając ucieczkę uwięzionego powietrza z portu A z powrotem przez port P i pozwalając cylindrowi na płynne wycofanie się.

Kluczowe parametry doboru dla integratorów systemów B2B

Aby zapewnić bezpieczną w przypadku awarii pracę systemu, integratorzy systemów muszą obliczyć i dopasować następujące parametry techniczne przy doborze zaworów zwrotnych z pilotowym otwarciem (PO):

• Stosunek sterowania: Jest to stosunek powierzchni wewnętrznego tłoczka sterującego do powierzchni siedziska zaworu zwrotnego. Typowe stosunki to 3:1, 4:1 i 5:1. Na przykład w zaworze o stosunku 3:1 ciśnienie sterujące 1 bar przy złączu X może pokonać ciśnienie uwięzione 3 bar przy złączu cylindra A. Jeśli pionowy cylinder utrzymuje bardzo ciężki ładunek, ciśnienie powietrza w dolnej komorze może wzrosnąć znacznie powyżej ciśnienia głównego w linii. Jeśli ciśnienie uwięzione wynosi 9 bar, a linia sterująca dostarcza jedynie 2,5 bar, zawór o stosunku 3:1 nie otworzy się, co spowoduje zatrzymanie maszyny. W zastosowaniach wymagających dużych obciążeń inżynierowie muszą dobierać zawory o wyższym stosunku sterowania (np. 5:1 lub 6:1) lub zapewnić, że linie sterujące są wyposażone w odpowiednie, regulowane ciśnienie.
• Montaż bezpośrednio w porcie: Aby ograniczyć ryzyko pęknięcia węża, zawór zwrotny PO musi być zaśrubowany bezpośrednio w porcie cylindra. Nigdy nie montuj zaworu zwrotnego PO na zdalnym kolektorze zaworów z kilkumetrowym odcinkiem elastycznego węża poliuretanowego pomiędzy nim a cylindrem. Jeśli wąż pomiędzy cylindrem a zdalnie zamontowanym zaworem zwrotnym pęknie, obwód utrzymujący zostanie obejściowy, a obciążenie natychmiast opadnie. AIRWORK produkuje zwarte, montowane bezpośrednio w porcie zawory zwrotne PO, które są zaśrubowywane bezpośrednio w portach cylindrów, zapewniając maksymalne bezpieczeństwo.
• Rozszerzalność termiczna i nadciśnienie: Jeśli pionowy cylinder utrzymuje ciężkie obciążenie w gorącym środowisku fabrycznym przez dłuższy czas, uwięzione powietrze może się rozszerzać, co prowadzi do wzrostu ciśnienia i przekroczenia wartości dopuszczalnych pod kątem bezpieczeństwa. Upewnij się, że system wyposażony jest w zawory bezpieczeństwa przeciwprzeciążeniowe, jeśli istnieje ryzyko rozszerzalności termicznej.

Bezpieczeństwo redundantne: Zintegrowanie mechanicznych blokad tłoczyska

Chociaż zawory zwrotne PO zapewniają doskonałą ochronę, ich skuteczność zależy od szczelności wewnętrznych uszczelek tłoka cylindra. Jeśli uszczelka tłoka ulegnie zużyciu lub wystąpi przepływ przez nią (tzw. bypass), powietrze ucieka z dolnej komory do górnej komory, co powoduje przesuwanie się obciążenia mimo pozostania zaworów zwrotnych zamkniętych.

W przypadku zastosowań krytycznych pod względem bezpieczeństwa (np. podnośników pracujących bezpośrednio nad pracownikami na linii montażowej) normy bezpieczeństwa wymagają zastosowania redundantnego, mechanicznego systemu blokowania. Osiąga się to poprzez połączenie zaworów zwrotnych PO z mechanicznym blokadą drążka AIRWORK. Blokada drążka to urządzenie chwytające, działające na zasadzie sprężynowego załączania i pneumatycznego wyłączenia, wbudowane w przednią pokrywę cylindra. Gdy ciśnienie sterujące zanika, mocne wewnętrzne sprężyny zmuszają metalową pierścień do ścisłego zaciskania drążka tłoka, utrzymując go w miejscu dzięki ogromnej sile tarcia fizycznego, zapewniając w ten sposób pełną bezpieczność mechaniczną niezależnie od stanu szczelności uszczelek pneumatycznych.

Zakup rozwiązań zapewniających bezpieczeństwo awaryjne od AIRWORK

W AIRWORK bezpieczeństwo jest wymaganiem inżynieryjnym. Nasze zawory zwrotne sterowane pilotowo serii VB są wykonywane z wysokiej klasy aluminiu anodowanego i wyposażone w precyzyjnie szlifowane zaworki mosiężne z uszczelkami z fluorowęglowodorów o wysokiej odporności, zapewniając bezobsługową, szczelną pracę przez miliony cykli.

Dzięki standaryzacji zaworów bezpieczeństwa AIRWORK oraz zintegrowanych cylindrów blokujących tłoczysko dystrybutorzy i integratorzy systemów mogą zagwarantować maksymalne bezpieczeństwo operatorów oraz pełną zgodność z normami bezpieczeństwa maszyn. Odwiedź stronę jzpnu.com, aby pobrać rysunki 3D CAD, wykresy stosunku sterowania pilotowego oraz certyfikaty zgodności z przepisami dotyczącymi bezpieczeństwa do swojego kolejnego projektu podnośnika pionowego.