Pneumatischer Drehantrieb - Wie er funktioniert

Ein pneumatischer Drehaktuator nutzt Druckluft, um seine Betriebsenergie zu erzeugen. Einige Modelle sind speziell für die Fernsteuerung von Ventilen ausgelegt. Die saubere, trockene Luft kann von einer zentralen Druckluftstation oder, im Falle eines Druckgassystems, vom Prozessgas selbst geliefert werden. Das Abgas kann dann in die Atmosphäre abgelassen oder in eine nachgeschaltete Niederdruckprozessleitung geleitet werden. Diese Aktuatoren werden häufig verwendet, um Vierteldreh- oder Mehrdrehventile, wie Kugel- oder Klappenventile, zu automatisieren und fernzusteuern.

Ein pneumatischer Drehantrieb besteht aus einer oder mehreren Luftkammern mit einem Kolben oder einer Balgmembran. Je nach Ausführung zwingt der Luftdruck den Kolben oder die Membrane zu einer linearen oder rotierenden Bewegung. Wenn die erzeugte Bewegung linear ist, wandelt sie die lineare Bewegung intern in eine Drehbewegung um. Pneumatische Drehantriebe sind langlebig, bieten eine hohe Kraft im Verhältnis zu ihrer Größe und können in gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden.

Im Allgemeinen wird für den Antrieb eines Drehventils ein Drehantrieb verwendet. Es gibt jedoch auch Konstruktionen, bei denen Pneumatikzylinder, die eine lineare Bewegung erzeugen, zur Erzeugung eines Drehmoments über Schwenkarme oder Lager eingesetzt werden. Der Einsatz von pneumatischen Drehantrieben für diese Anwendungen kann jedoch die Konstruktion vereinfachen und die Lebensdauer erhöhen. Pneumatische Drehantriebe sind in sich geschlossen, so dass ihre Teile keinen Verunreinigungen und aggressiven Umgebungen ausgesetzt sind, was bedeutet, dass sie während ihrer Lebensdauer seltener gewartet werden müssen.

Einfachwirkend vs. doppeltwirkend

Pneumatische Stellantriebe können entweder einfach oder doppelt wirkend sein. Bei einem doppeltwirkenden Antrieb werden beide Seiten des Kolbens mit Luft versorgt. Ein höherer Luftdruck auf beiden Seiten erzeugt eine Bewegung zum Öffnen und Schließen des Ventils. Ein einfach wirkender Aktuator hingegen wird auf einer Seite mit Luft versorgt und verwendet eine oder mehrere Federn, um den Kolben in seine Position zurückzubringen. Ein Federrücklaufantrieb kann federschließend oder federöffnend ausgeführt sein. Diese Aktuatoren sparen Druckluft, aber doppelt wirkende Aktuatoren bieten eine bessere Steuerung und arbeiten mit höheren Taktraten. Bei bestimmten Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn Antriebe mit Federrückstellung bei Druck- oder Stromausfall in die Grundstellung zurückkehren.

Design

Bei pneumatischen Drehantrieben wird die lineare Kraft eines Kolbens durch Mechanismen wie Zahnstange und Ritzel oder Scotch Yoke in ein Drehmoment umgewandelt. Flügelzellenantriebe können jedoch direkt ein Drehmoment aus Luftdruck erzeugen.

Zahnstange und Ritzel

Eine Zahnstange, wie in Abbildung 2 dargestellt, besteht aus einem kreisförmigen Zahnrad (dem Ritzel), das in ein lineares Zahnrad (die Zahnstange) eingreift. Bei Betätigung bewegt sich der Kolben, der an der Zahnstange befestigt ist, linear. Durch die Verbindung des Zahnrads mit dem Ritzel wird dieses mit der angeschlossenen Abtriebswelle gedreht, wodurch die lineare Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt wird.

Häufig werden zwei Kolben und Zahnstangen auf der gegenüberliegenden Seite installiert, um das Drehmoment auf das Ritzel zu verdoppeln, wie in Abbildung 3 dargestellt. Bei diesem doppelt wirkenden Aktuator sind die beiden seitlichen Kammern mit Druckluft gefüllt, die die Kolben in die Mitte drücken. Um die Kolben in die Ausgangsposition zurückzubringen, wird die Kammer in der Mitte wiederum mit Druck beaufschlagt.

Die Zahnstangenkonstruktion hat einen relativ hohen mechanischen Wirkungsgrad. Sie können einen Drehmomentbereich von ein paar Nm bis zu mehreren Tausend Nm erzeugen.

Abgenutzte Zahnstangenantriebe sind anfällig für Spiel, das durch verschlissene Zahnräder und Lücken zwischen den Zahnrädern verursacht wird und die Genauigkeit beeinträchtigt. Wenn die Genauigkeit der Positionierung von entscheidender Bedeutung ist, werden Versionen mit doppeltem Gestell empfohlen. Im Vergleich zu Flügelzellenantrieben haben Zahnstangen-Ritzel-Konstruktionen einen größeren Schwingungsbereich.

Schottisches Joch

Bei einem Scotch-Yoke-Mechanismus ist der Schaft des Kolbens über einen Stift und einen Schlitz mit einer Drehwelle verbunden, wie in Abbildung 5 dargestellt. Durch die lineare Bewegung der Welle wird der Stift in Drehung versetzt. Scotch Jochaktuatoren können federrückstellend oder doppeltwirkend sein. Diese Antriebe können auch mit zwei gegenüberliegenden Kolben ausgestattet werden, um das Drehmoment an der Abtriebswelle zu verdoppeln, wie in Abbildung 5 rechts dargestellt. Scotch Jochantriebe sind Hochleistungsantriebe, die Drehmomente von mehreren Tausend bis zu Hunderttausenden von Nm erzeugen.

Flügelzellen

Der in Abbildung 6 gezeigte Flügelzellenantrieb hat eine Kammer mit einer durchgehenden Welle, an die eine Flügelzelle angeschlossen ist. Wenn auf einer Seite des Flügels Druckluft zugeführt wird, versetzt der Differenzdruck den Flügel und die Welle in Drehung.

Flügelzellenantriebe sind leichte Antriebe, die Drehmomente von einem Bruchteil eines Nm bis zu mehreren hundert Nm erzeugen. Sie können federrückstellend oder doppeltwirkend sein und sind mit einfachen oder doppelten Flügeln erhältlich. Doppellamellenkonfigurationen bieten höhere Drehmomente auf Kosten kleinerer Schwingungsbereiche. Die Oszillation von Doppellamellenantrieben variiert zwischen 90° und 100°, während Einlamellenantriebe einen Bereich von bis zu 280° aufweisen können.

Auswahlkriterium

Der erste Schritt bei der Auswahl eines pneumatischen Drehantriebs besteht darin, herauszufinden, welcher Antriebstyp für Ihre Anwendung am besten geeignet ist. Obwohl Scotch-Yoke-Aktuatoren hauptsächlich für schwere Anwendungen eingesetzt werden, ist es ratsam, bei der Auswahl eines Drehantriebs für leichte und mittelschwere Anwendungen die Optionen zu berücksichtigen.  

Stellantriebe mit Zahnstange und Ritzel:

• Vorteile:
  • Höherer mechanischer Wirkungsgrad - 90 bis 95%
  • Mittelschwere Anwendungen
  • Hochgeschwindigkeitsbetätigung
  • Größere Reichweite der Oszillation
• Benachteiligungen:
  • Spielanfälligkeit durch Verschleiß
  • Geringfügig teurer

Flügelzellenantriebe:

• Vorteile:
  • In der Regel wirtschaftlicher in Bezug auf Geld für Drehmoment Fähigkeiten
  • Leichte und mittelschwere Anwendungen
  • Präzise Positionierung
• Benachteiligungen:
  • Kürzere Lebensdauer im Vergleich zu Antrieben mit Zahnstange und Ritzel
  • Geringfügig geringerer mechanischer Wirkungsgrad, hauptsächlich aufgrund von Undichtigkeiten im Bereich der Schaufeln
  • Begrenzter Bereich der Oszillation

Die Dimensionierung des Aktuators wäre dann der nächste Schritt. Pneumatische Stellantriebe werden häufig vor allem durch die Höhe des Drehmoments charakterisiert, das sie erzeugen oder anhalten können, und das führt zur Dimensionierung des Antriebs. Ein Stellantrieb einer bestimmten Größe bietet wahrscheinlich auch einen Drehmomentbereich, der vom Steuerdruck abhängt, der ihm zugeführt wird. Weitere Kriterien, die bei der Auswahl eines Drehantriebs zu berücksichtigen sind, sind der Drehwinkel, die für den Betrieb benötigte Luftmenge, das Steuermedium, die Werkstoffe und die Schnittstelle einschließlich der Optionen für die Abtriebswelle, die Flanschgrößen und die Steuerluftanschlüsse.