اکچویتور پنوماتیک (Pneumatic Actuator) یکی از انواع رایج و پرکاربرد اکچویتورها در صنایع است که با استفاده از هوای فشرده به عنوان منبع انرژی حرکت خطی یا دورانی را ایجاد می کند و از این طریق موجب باز و بسته شدن شیرآلات می شود. این نوع از اکچویتورها به دلیل قیمت مناسب، عملکرد سریع و سایز کوچکتر نسبت به سایر انواع عملگرها دارای محبوبیت بالایی در صنایع فرآیندی مختلف می باشند.
اکچویتور پنوماتیک بر اساس نوع عملکرد و سایر ویژگی ها در انواع مختلفی نظیر اکچویتورهای دیافراگمی (Diaphragm)، پیستونی (Piston)، رک پینیون (Rack and Pinion)، اسکاچ یوک (Scotch Yoke) و پره ای (Vane) تولید می شود. این تجهیزات اتوماتیک نقش مهمی در سیستم های کنترل و اتوماسیون صنعتی ایفا می کنند و با نام های دیگری از جمله محرک یا عملگر بادی نیز شناخته می شوند.
علاوه بر این مطابق با نوع حرکت به دو دسته خطی (Linear) و دورانی (Rotary) تقسیم بندی می شوند. اکچویتورهای پنوماتیک با حرکت خطی برای نصب روی شیرآلات خطی مانند شیر گلوب و دیافراگمی مناسب می باشند اما اکچویتورهای روتاری با شیرآلات ربع گرد (Quarter Turn) مانند شیر توپی یا پروانه ای به کار می روند.
عملگرهای پنوماتیک از طریق هوای فشرده دریافتی از کمپرسور، نیرو یا گشتاور مورد نیاز برای باز و بسته کردن انواع شیرآلات صنعتی را تامین می کنند. در ادامه هدف از این مقاله بررسی عملکرد، انواع، مزایا، برندها و تجهیزات جانبی اکچویتور پنوماتیک جهت راهنمایی جامع خرید این محصولات بر اساس نیازهای فنی و قیمت است.
تمامی اکچویتورهای پنوماتیک بر اساس نوع عملگرد به دو گروه زیر تقسیم بندی می شوند:
این نوع اکچویتور که به عنوان سینگل اکت (Single Acting) نیز شناخته می شود، از فشار هوای فشرده برای حرکت در یک جهت (معمولاً باز یا بسته کردن شیر) استفاده می کند و بازگشت به موقعیت اولیه توسط فنر داخلی انجام می شود. در صورت قطع جریان هوا، فنر به طور خودکار شیر را به وضعیت اولیه یا fail safe باز می گرداند. این ویژگی برای فرآیندهایی که نیاز به ایمنی بالا دارند، بسیار مفید است.
در این نوع محرک ها، دو پورت ورودی هوا یکی برای اعمال فشار به یک سمت پیستون یا دیافراگم و دیگری برای اعمال فشار به سمت مخالف وجود دارد. با ورود هوای فشرده به یک پورت، پیستون به سمت مقابل حرکت می کند و با ورود هوا به پورت دیگر، پیستون به جهت اولیه بازمی گردد.
اکچویتورهای دابل اکت برای هر دو حرکت باز و بسته کردن شیر از فشار هوای فشرده استفاده می کنند. این طراحی امکان کنترل دقیق تر و گشتاور بالاتری را فراهم می کند. با حذف فنر داخلی، این اکچویتورها دارای عمر مفید بیشتری هستند و برای کاربردهایی با سیکل های کاری بالا مناسب اند.
اکچویتورهای پنوماتیک با حرکت خطی شامل مدل دیافراگمی و پیستونی و اکچویتورهای پنوماتیک با حرکت چرخشی یا دورانی شامل رک پینیون و اسکاچ یوک می شوند در ادامه به معرفی هر یک از این مدلها می پردازیم:
اکچویتورهای دیافراگمی از جمله عملگرهای پنوماتیکی پرکاربرد در صنایع مختلف هستند که با استفاده از هوای فشرده، حرکت خطی تولید می کنند. این عملگرها به ویژه در کنترل ولوها (Control Valves) برای تنظیم دقیق جریان سیالات مانند گاز، بخار یا مایعات استفاده می شوند.
اکچویتور دیافراگمی از یک دیافراگم انعطاف پذیر و یک فنر تشکیل شده است. هنگامی که سیگنال پنوماتیکی (هوای فشرده) به پشت دیافراگم اعمال می شود، دیافراگم به سمت پایین حرکت کرده و فنر را فشرده می کند. این حرکت باعث جابجایی میله متصل به دیافراگم می شود که به استم شیر کوپل شده و در نتیجه شیر باز یا بسته می شود.
در صورت قطع شدن فشار هوا، فنر فشرده شده به حالت اولیه باز می گردد و دیافراگم را به موقعیت اولیه خود بازمی گرداند. این نوع عملکرد در اکچویتور های دیافراگمی، دارای عملکرد فنر برگشتی (Spring-Return) هستند. به عبارت دیگر در عملگرهای فنری عملگر فقط از یک سمت (بالا یا پایین) تحت اعمال نیروی فشار هوا قرار می گیرد و فنر از قسمت مقابل در مقابل حرکت مقاومت می کند.
در اکچویتورهای بزرگتر با گشتاور مورد نیاز بیشتر به جای استفاده از عملکرد فنری از اکچویتورهای با عملکرد دابل استفاده می شود. در این نوع اکچویتورها به جای فنر از دو خط هوا در بالا و پایین دیافراگم برای حرکت دادن اکچویتور و باز و بسته شدن شیر استفاده می شود. به عبارتی دیگر در این نوع از عملگرها نیروی فشار هوا از هر دو سمت وارد اکچویتور می شود و هیچ فنری در این نوع عملگر وجود ندارد.
شرکت فیشر آمریکا (FISHER) یکی از بزرگترین تولیدکنندگان انواع شیرهای کنترلی است که معمولا شیرهای خود را با اکچویتورهای پنوماتیکی از نوع دیافراگمی تولید می کند. در تصویر زیر یک کنترل ولو فیشر از نوع دیافراگمی را مشاهده می کنید.
انتخاب اینکه یک شیر نیاز به اکچویتور عملکرد فنری یا دابل اکت دارد به موارد و پارامترهای متعددی از جمله نیروی مورد نیاز برای باز و بسته شدن شیر (گشتاور)، مقدار هوای ابزار دقیق در دسترس (Air Supply) بستگی خواهد داشت. به عنوان مثال معمولا از اکچویتور های دابل برای شیرهای با سایز بزرگ و خطوط فشار بالا استفاده می شود.
اکچویتورهای پیستونی نوعی از عملگرهای پنوماتیکی هستند که با استفاده از مکانیزم سیلندر و پیستون، حرکت خطی یا دورانی را برای کنترل شیرآلات صنعتی فراهم می کنند. این نوع اکچویتورها بهویژه در کاربردهایی با فشار بالا و نیاز به گشتاور زیاد مورد استفاده قرار می گیرند.
در اکچویتورهای پیستونی، یک پیستون درون سیلندر قرار دارند که با اعمال فشار هوای فشرده، به حرکت درمی آیند. این حرکت باعث جابجایی میله متصل به پیستون می شود که به استم شیر کوپل شده و در نتیجه شیر باز یا بسته می شود. این نوع از اکچویتورها عملکردی مشابه اکچویتورهای دیافراگمی دارند با این تفاوت که از پیستون به جای دیافراگم استفاده می شود. شرکت والتک (VALTEK) که یکی از زیر مجموعه های شرکت بزرگ فلوسرو (FLOW SERVE) است یکی از تولیدکنندگان مطرح شیرهای کنترلی با اکچویتور پیستونی است که آن را در زیر مشاهده می کنید.
اکچویتورهای پنوماتیک رک و پینیون نوعی از عملگرهای دورانی هستند که با استفاده از فشار هوای فشرده، حرکت چرخشی یا روتاری تولید می کنند. این اکچویتورها به ویژه برای کنترل شیرهای ربع گرد مانند شیرهای توپی (Ball Valves) و پروانهای (Butterfly Valves) در صنایع مختلف کاربرد دارند.
در این نوع اکچویتورها، یک شفت دندانه دار (پینیون) در مرکز قرار دارد که به استم شیر متصل می شود. دو پیستون دندانه دار (رک) در دو طرف پینیون قرار گرفته اند. با اعمال فشار هوا به یکی از محفظه های پیستون، پیستون ها به سمت داخل حرکت می کنند و از طریق درگیری دندانه ها با پینیون، شفت مرکزی را می چرخانند. با تغییر جهت فشار هوا، پیستون ها به سمت بیرون حرکت کرده و شفت را در جهت مخالف می چرخانند. این مکانیزم امکان چرخش دقیق مجرابند شیر را فراهم می کند.
گشتاور تولید شده توسط اکچویتورهای روتاری از عملگرهای پیستونی و دیافراگمی کمتر می باشد و بیشترین کاربرد این نوع از عملگرها در شیرهای قطع و وصل (ON/OFF) خواهد بود. در شکل زیر یک شیر قطع و وصل ( ON/OFF) برند ELOMATIC را مشاهده می کنید که در آن از یک عملگر روتاری (رک اند پینیون) استفاده شده است.
اکچویتورهای پنوماتیک اسکاچ یوک نوعی از عملگرهای دورانی هستند که با تبدیل حرکت خطی پیستون به حرکت چرخشی، برای کنترل شیرهای ربعگرد مانند شیرهای توپی و پروانهای بهویژه در سایزهای بزرگ و خطوط انتقال مورد استفاده قرار می گیرند.
در این نوع اکچویتورها، حرکت خطی پیستون از طریق یک مکانیزم یوک (یوغ) به حرکت چرخشی شفت خروجی تبدیل می شود. این طراحی باعث می شود که گشتاور خروجی در نقاط ابتدایی و انتهایی حرکت (که معمولاً برای باز یا بسته کردن شیر حیاتی هستند) بیشتر باشد، در حالی که در میانه حرکت، گشتاور کاهش می یابد. این ویژگی برای کاربردهایی که نیاز به گشتاور بالا در شروع و پایان حرکت دارند، بسیار مفید است.
اکچویتورهای پنوماتیک پرهای یکی از انواع عملگرهای دورانی هستند که با استفاده از فشار هوا یا سیال، حرکت چرخشی مورد نیاز برای باز و بسته کردن شیرهای ربع گرد، دمپرها و سایر تجهیزات صنعتی را فراهم می کنند. در این نوع اکچویتورها، یک یا دو پره سفت و سخت در داخل محفظه ای آب بندی شده قرار دارند که مستقیماً به شفت خروجی متصل هستند.
با اعمال فشار هوا یا سیال به یکی از طرفین پره، پره به سمت مقابل حرکت کرده و باعث چرخش شفت می شود. در مدل های دابل اکت (Double Acting)، فشار به هر دو سمت پره اعمال می شود که امکان حرکت در هر دو جهت را فراهم می کند. در مدل های فنر برگشتی یا سینگل اکت (Single Acting)، بازگشت پره به موقعیت اولیه توسط فنر انجام می گیرد.
اکچویتورهای پنوماتیکی هنوز یکی از محبوب ترین انواع اکچویتورها نسبت به سایر مدل های هیدرولیکی و برقی (موتوری) هستند. در زیر به برخی از این دلایل اشاره می شود:
اکچویتورهای پنوماتیک برای عملکرد بهینه و دقیق، نیازمند تجهیزات جانبی متعددی هستند که هر یک نقش خاصی در کنترل و بهرهوری سیستم ایفا می کنند. در ادامه به معرفی و بررسی مهم ترین این تجهیزات می پردازیم:
اکچویتورهای پنوماتیک خطی رایجترین نوع عملگرهای بادی هستند و بر اساس نحوه اعمال نیرو و حرکت پیستون، به انواع مختلفی تقسیم میشوند:
اکچویتورهای یک طرفه (Single-Acting Cylinders): این نوع اکچویتورها دارای یک پورت ورودی هوا هستند و حرکت پیستون در یک جهت (حرکت کاری) توسط نیروی هوای فشرده انجام میشود. بازگشت پیستون به وضعیت اولیه معمولاً توسط یک فنر داخلی یا نیروی خارجی (مانند وزن بار یا یک فنر خارجی) صورت میگیرد.
اکچویتورهای دو طرفه (Double-Acting Cylinders): این نوع اکچویتورها دارای دو پورت ورودی/خروجی هوا هستند و حرکت پیستون در هر دو جهت (حرکت کاری و حرکت برگشت) توسط نیروی هوای فشرده کنترل میشود.
اکچویتورهای تلسکوپی (Telescopic Cylinders): این نوع اکچویتورها از چندین پیستون و سیلندر تو در تو تشکیل شدهاند که امکان ایجاد کورس حرکتی بسیار طولانیتر نسبت به طول کلی اکچویتور را فراهم میکنند.
اکچویتورهای ضربهای (Impact Cylinders): این نوع اکچویتورها برای ایجاد ضربات ناگهانی و قوی طراحی شدهاند. آنها معمولاً دارای یک پیستون سنگین و یک محفظه احتراق کوچک هستند که با ورود هوای فشرده و آزاد شدن ناگهانی آن، ضربه ایجاد میشود.
بخش سوم: نحوه عملکرد اکچویتورهای پنوماتیک دورانی
اکچویتورهای پنوماتیک دورانی برای ایجاد حرکت چرخشی استفاده میشوند و بر اساس مکانیزم عملکرد به انواع مختلفی تقسیم میشوند:
اکچویتورهای پرهای (Vane Actuators): این نوع اکچویتورها دارای یک یا چند پره هستند که درون یک محفظه دایرهای قرار گرفتهاند. با ورود هوای فشرده به یک طرف پره، نیروی وارد شده باعث چرخش پره و در نتیجه ایجاد حرکت دورانی میشود.
اکچویتورهای دندانه شانهای (Rack and Pinion Actuators): این نوع اکچویتورها از یک پیستون خطی که به یک دنده شانهای متصل است و یک چرخ دنده (پینیون) که با دنده شانهای درگیر است، تشکیل شدهاند. حرکت خطی پیستون باعث حرکت دورانی پینیون میشود.
اکچویتورهای پیستونی دورانی (Rotary Vane Actuators): این نوع اکچویتورها ترکیبی از عملکرد خطی و دورانی دارند. هوای فشرده باعث حرکت خطی یک پیستون میشود که این حرکت خطی از طریق یک مکانیزم (مانند بادامک یا لینک) به حرکت دورانی تبدیل میشود.
پارامترهای متعددی از جمله نوع عملکرد (دیافراگمی، پیستونی یا روتاری)، سایز (گشتاور تولید شده توسط عملگر)، فشار هوای تغذیه، رنج دمای کاری، برند و کشور تولید کننده و بسیاری از موارد دیگری در تعیین قیمت یک اکچویتور پنوماتیکی تاثیرگذار می باشد. برندهای مختلفی در دنیا هستند که هریک نوع خاصی از این عملگرها را تولید می کنند.
واضح است که اکچویتورهای با برندهای آمریکایی و اروپایی به دلیل کیفیت بالاتر در ساخت دارای قیمت های بیشتری نسبت یه تولیدات چینی یا حتی تولیدات داخلی می باشند. برای مثال شرکت فیشر FISHER آمریکا یکی از تولید کننگان مطرح انواع کنترل ولو میباشد که معمولآ از عملگرهای دیافراگمی در شیرهای خود استفاده می کند.
شرکت فلوسرو FLOWSERVE آمریکا یکی دیگر از شرکت های معتبر در زمینه شیرآلات صنعتی و پایپینگی است که معمولا از عملگرهای پیستئنی برای شیرآلات خود استفاده می کند. شرکت الوماتیک ELOMATIC آمریکا یکی دیگر از شرکت های معتبر در زمینه تولید انواع اکچویتورهای دروانی یا روتاری می باشد.
این شرکت یکی از زیرمجموعه های هولدینگ EMERSON است. در مقابل بسیاری از برندهای معتبر چینی، ترکیه ای، کره ای و ایرانی نیز در بازار موجود می باشد که دارای قیمت های مناسب تری هستند. برای استعلام قیمت و مشاوره فنی در زمینه انواع اکچویتورهای پنوماتیکی با کارشناسان ما در وبسایت اینترنتی پیکاتک تماس بگیرید.