Как снизить гидроудар в системах пневматических клапанов

Гидроудар в системе пневматических клапанов следует рассматривать как симптом, а не как диагноз. Хлопок при переключении клапана может быть вызван переходным процессом давления сжатого воздуха, противодавлением выхлопа, ударом поршня цилиндра о крышку или перемещением жидкого конденсата через нижнюю точку. Для каждого механизма требуется свое решение.

Наиболее безопасный подход — регистрировать давление с обеих сторон предполагаемого сужения, одновременно наблюдая за командой клапана, положением цилиндра и характером выхлопа. Затем следует уменьшить скорость высвобождения энергии именно в месте возникновения явления. Нельзя выбирать предохранительный клапан, ресивер или распределитель большего размера только по громкости шума.

Ключевые выводы

• Перед заменой оборудования разделите четыре типа неисправностей: переходный процесс давления воздуха, ограничение выхлопа, механический удар в конце хода и перемещение конденсата.
• ISO 4414 охватывает существенные опасности пневматических систем и остается действующим после подтверждения в 2021 году.
• Измеряйте динамическое давление у клапана и привода. Нормальное статическое показание манометра может скрывать фактическое сужение.
• Управляйте ускорением, расходом выхлопа и демпфированием как взаимосвязанными элементами контура.

Место и момент первого изменения давления информативнее самого громкого звука. Скачок на стороне подачи, начинающийся при переключении клапана, указывает на заполнение и пропускную способность клапана. Рост давления в полости непосредственно перед достижением поршнем конца хода указывает на демпфирование или ограничение выхлопа. Хлопок после слива или холодного пуска повышает вероятность наличия конденсата.

Действительно ли это гидроудар?

ISO 4414:2010 рассматривает существенные опасности в пневматических системах и распространяется на их проектирование, изготовление, модификацию, регулировку и техническое обслуживание. Стандарт был подтвержден в 2021 году и остается действующим (ISO 4414). Такая область применения требует диагностики всей системы, а не отнесения каждого скачка давления к классическому жидкостному гидроудару.

Классический гидроудар — это гидравлический переходный процесс, вызванный быстрым изменением скорости столба жидкости. Сжатый воздух ведет себя иначе, поскольку он сжимаем, а пневматические контуры содержат клапаны, полости с изменяющимся объемом, ограничения выхлопа и движущиеся нагрузки. Выражение «пневматический гидроудар» распространено в производственной практике, но при отсутствии жидкостной пробки обычно точнее говорить переходный процесс давления в пневмосистеме.

Перед выбором меры устранения используйте следующую классификацию по четырем вариантам:

Наблюдаемое явление	Вероятный механизм	Лучшее первое измерение	Типовой путь устранения
Давление изменяется сразу после команды клапану	быстрое заполнение или переходный процесс при переключении клапана	давление на входе клапана и в рабочем порту	проверить пропускную способность клапана, скорость заполнения, объем трубок и последовательность переключения
Давление растет в опорожняемой полости	противодавление выхлопа	давление в выхлопном порту цилиндра и на выхлопе клапана	проверить глушитель, выхлоп коллектора, регулирование на выхлопе и трассировку шлангов
Хлопок возникает в физическом конце хода	энергия движущейся массы превышает возможности демпфирования	скорость и оставшийся ход демпфирования	снизить скорость или энергию; проверить допустимую энергию демпфера или амортизатора
Явление возникает после слива, замерзания или признаков влажного воздуха	перемещение конденсата по контуру	точка росы, дренажи, нижние точки, состояние сепаратора	исправить подготовку воздуха и отвод конденсата до настройки движения

В одной системе одновременно могут присутствовать несколько вариантов. Например, слишком большой клапан способен быстро разогнать цилиндр, а засоренный глушитель выхлопа — повысить противодавление. Устранение только засорения глушителя может выявить уже существовавшую проблему удара в конце хода.

Диагностика переходного процесса давления в пневмосистеме

Правила OSHA по опасной энергии распространяются и на пневматическую энергию, а 29 CFR 1910.147(d)(5) требует до обслуживания сбросить, отключить, ограничить или иным способом обезопасить накопленную либо остаточную энергию (OSHA). Поэтому установка приборов и перенос датчиков должны выполняться в рамках процедуры контроля энергии машины, а не путем импровизированной регулировки под давлением.

После безопасной установки измеряйте давление во время явления, а не полагайтесь на манометр регулятора. Полезное испытание регистрирует на одной временной шкале следующие сигналы:

1. команда клапану или обратная связь положения золотника
2. давление в порту питания клапана
3. давление в активном порту цилиндра
4. давление в опорожняемой полости или общем выхлопном канале
5. положение цилиндра или состояние датчика конца хода

Размещайте датчики рядом с предполагаемым сужением. Длинный испытательный шланг добавляет объем и может исказить быстрое явление. Используйте преобразователи, фитинги, классы давления и настройки системы сбора данных, соответствующие ожидаемому давлению в контуре и длительности события. Необходимая частота дискретизации определяется переходным процессом, который требуется разрешить, а не универсальным практическим правилом.

Проведите контролируемое сравнение. Снизьте заданную скорость, безопасно удалите известное ограничение выхлопа или включайте по одной клапанной станции. В каждом испытании изменяйте только один параметр. Если при таком изменении событие давления смещается или исчезает, результат информативнее одиночного пикового значения.

Руководство по противодавлению в пневмосистеме объясняет, почему общий выхлоп, глушитель или недостаточно большой обратный канал могут влиять сразу на несколько приводов. Для предварительной оценки установившихся потерь в линии используйте приведенный ниже калькулятор, но не считайте его результат прогнозом пикового давления при переходном процессе.

ИнструментКлапаны и расходКалькулятор падения давленияОцените установившуюся потерю давления сжатого воздуха по расходу, размеру и длине трубки, фитингам и давлению; для диагностики переходного процесса используйте динамические измерения.Падение давления = C x L x Q^1.85 / (d^5 x P)РасходДлина трубыЭквивалентная длина фитинговВнутренний диаметрОткрыть калькулятор ->

Какие изменения клапана и регулирования расхода уменьшают удар?

Техническое руководство SMC AS-R/AS-Q сравнивает две схемы и предупреждает, что регулирование на выхлопе может допустить внезапное выдвижение, если сжатый воздух на стороне выхлопа отсутствует или его давление слишком мало (руководство SMC AS-R/AS-Q). Поэтому размер клапана, способ регулирования скорости и состояние при повторном пуске необходимо рассматривать совместно.

Сначала проверьте фактические расходные характеристики клапана, а не размер его резьбы. Размер порта не показывает наименьшее сечение канала золотника, канала коллектора, прохода фитинга или глушителя. Сопоставьте требуемый переходный расход с указанными изготовителем Cv, Kv, звуковой проводимостью или испытательной расходной характеристикой. Эти два метода оценки рассмотрены в руководстве по подбору клапана по Cv и руководстве по звуковой проводимости.

Затем управляйте заполнением и опорожнением каждой полости привода:

• Применяйте регулирование на выхлопе, когда нагрузке и контуру требуется устойчивое торможение со стороны выхлопа, одновременно проверяя условия повторного пуска.
• Рассматривайте регулирование на впуске только после оценки направления нагрузки, инерции, внешних сил и поведения демпфирования.
• Используйте функцию плавного пуска или постепенного повышения давления, если безопасный повторный пуск требует управляемого восстановления давления.
• Включайте клапанные станции с высоким потреблением последовательно, а не заполняйте несколько больших объемов одновременно.
• Не заменяйте правильно рассчитанный клапан более крупным только ради увеличения скорости цилиндра.

Сравнение в статье «Регулирование на впуске или на выхлопе» особенно важно, когда вертикальная или попутная нагрузка может ускоряться независимо от подаваемого расхода воздуха.

Решит ли все более длительное время переключения? Нет. Оно может уменьшить одно возбуждение, но не очистит заблокированный глушитель, не поглотит избыточную энергию движения, не удалит конденсат и не сделает небезопасную последовательность повторного пуска приемлемой. Перед выбором более медленного клапана или установкой внешнего дросселя подтвердите механизм явления.

ИнструментСжатый воздухкалькулятор времени заполнения камерыОцените влияние объема полости, давления питания, целевого давления и доступного расхода на время заполнения до изменения пропускной способности клапана или последовательности включения.Время заполнения = объем x отношение давлений / расходОбъем камерыЦелевое давлениеДоступный расход свободного воздухаЭффективность заполненияОткрыть калькулятор ->

Когда противодавление выхлопа становится основной проблемой?

Изделие SMC JASV объединяет быстродействующий выхлопной клапан и дросселирующий клапан для скоростного управления цилиндром. Это показывает, что локальный выхлоп и регулирование скорости — разные функции, которые иногда нужно согласовывать (SMC JASV). Быстродействующий выхлопной клапан является элементом контура, а не универсальным средством устранения ударов в пневмосистеме.

Противодавление выхлопа вероятно, если давление сохраняется в номинально опорожняемой полости, движение меняется после снятия глушителя или несколько станций коллектора влияют друг на друга через общий выхлоп. Проверьте весь путь: порт цилиндра, регулятор расхода, трубку, распределительный клапан, канал коллектора, глушитель и вентиляционное отверстие шкафа.

Быстродействующий выхлопной клапан может сократить расстояние между приводом и атмосферой. Одновременно он способен ускорить сброс давления и повысить скорость цилиндра. Если после этого движущаяся масса достигает крышки с большей кинетической энергией, слышимый удар может усилиться, хотя противодавление в полости снизится. После установки повторно проверьте скорость и демпфирование.

Используйте следующую последовательность решений:

1. Измерьте давление в выхлопном порту во время движения.
2. Проверьте глушитель на загрязнение и соответствие номинальному расходу.
3. Определите, не используют ли несколько клапанов общий выхлопной канал недостаточного сечения.
4. Проверьте ориентацию и настройку регулятора расхода.
5. Оценивайте локальный быстродействующий выхлоп только после шагов 1–4.
6. Повторно проверьте скорость цилиндра, удар в конце хода и безопасность сброса давления.

Руководство по быстродействующим выхлопным клапанам подробнее объясняет размещение и работу управляющего сигнала.

Как устранить удар в конце хода?

В актуальном техническом паспорте цилиндра Festo ADNGF-80-25 для данной конфигурации указаны допустимая энергия удара в конечном положении 8 J и длина демпфирования 7,5 mm (технический паспорт Festo). Эти значения относятся к конкретной модели, но наглядно показывают, почему демпфирование нужно проверять с учетом движущейся массы, скорости и выбранного цилиндра.

Энергия удара цилиндра возрастает пропорционально квадрату скорости:

кинетическая энергия = 0,5 x движущаяся масса x скорость^2

Удвоение скорости дает четырехкратное увеличение кинетической энергии без учета других эффектов. Эта зависимость объясняет, почему небольшая корректировка клапана или регулятора расхода способна резко изменить удар в конце хода. Она также показывает, почему предохранительный клапан не заменяет правильно рассчитанное демпфирование.

Следуйте методике регулировки изготовителя цилиндра. При регулируемом пневматическом демпфировании начните с умеренной скорости и настраивайте по одному концу за раз. Убедитесь, что поршень полностью проходит ход без отскока, остановки или удара о внешний упор. Для тяжелых или скоростных нагрузок вместо дополнительного дросселирования винтом демпфирования может потребоваться внешний амортизатор либо цилиндр другого размера.

Руководство по демпфированию пневматических цилиндров поможет различать регулируемое воздушное демпфирование, эластомерные буферы и внешние амортизаторы.

ИнструментПодбор цилиндраКалькулятор энергии демпфирования цилиндраСопоставьте движущуюся массу и скорость удара с энергией, которую должно поглотить демпфирование выбранного цилиндра или внешний амортизатор.Энергия демпфирования = (0,5 × Масса × Скорость² + Работа привода + Работа силы тяжести) × Коэффициент запасаДвижущаяся массаСкорость удараПриводное усилиеХод демпфированияОткрыть калькулятор ->

Может ли конденсат вызвать настоящий удар жидкостной пробки?

ISO 8573-1:2010 классифицирует чистоту сжатого воздуха по трем основным группам загрязнений: частицы, вода и масло (ISO 8573-1). Следовательно, вода является нормируемым загрязнителем сжатого воздуха, а не просто эксплуатационным неудобством. Жидкость может накапливаться, когда воздух охлаждается ниже точки росы под давлением или когда дренажи и сепараторы неисправны.

Конденсат меняет направление диагностики. Вода, скопившаяся в нижней точке, шланге, коллекторе или соединении ресивера, может прийти в движение при открытии клапана. Такое явление не равно переходному процессу в сухом воздухе, а настройка регулятора скорости не устранит его источник.

Проверьте следующие места:

• доохладитель, сепаратор, осушитель, фильтр и автоматический дренаж
• нижние точки и тупиковые участки распределительных трубопроводов
• нисходящие ответвления без эффективного отвода конденсата
• холодные зоны, в которых сжатый воздух теряет температуру
• выхлопы клапанов с водой, льдом или повторяющейся коррозией

Зафиксируйте требуемую точку росы под давлением в месте использования и сравните ее с самой низкой температурой, которой может достичь система ниже по потоку. Требуемое значение зависит от процесса и среды. Руководство по качеству сжатого воздуха ISO объясняет, как задаются требования к частицам, воде и маслу без предположения об универсальном классе.

Не открывайте дренаж или фитинг под давлением, чтобы доказать наличие воды. Изолируйте систему, сбросьте накопленную пневматическую энергию, подтвердите состояние нулевой энергии и соблюдайте процедуру слива, установленную изготовителем оборудования.

Безопасная последовательность устранения

OSHA 29 CFR 1910.147 требует до начала обслуживания подтвердить выполнение изоляции и снятия энергии, а ISO 4414 охватывает опасности при проектировании, регулировке и обслуживании пневматических систем (OSHA; ISO 4414). Даже технически правильная замена клапана требует контролируемой изоляции, ввода в эксплуатацию и документированного приемочного контроля.

Используйте следующую последовательность:

1. Определите событие. Зафиксируйте, когда возникает хлопок, изменение давления или неустойчивое движение относительно команды клапану и хода цилиндра.
2. Обеспечьте безопасность измерений. Перед установкой рассчитанных на нужное давление преобразователей, фитингов или временных испытательных линий изолируйте энергию.
3. Зарегистрируйте динамические данные. Измерьте на одной временной шкале давление питания, рабочего порта, полости и выхлопа.
4. Классифицируйте механизм. Выберите переходный процесс воздуха, противодавление выхлопа, удар в конце хода, конденсат или их сочетание.
5. Внесите одно целевое изменение. Настройте расход, устраните ограничение выхлопа, измените последовательность, скорректируйте демпфирование или отремонтируйте дренаж.
6. Повторно проверьте весь рабочий диапазон. Включите фактическую нагрузку, минимальные и максимальные условия питания, повторный пуск, аварийный останов и одновременное потребление клапанов.
7. Зафиксируйте принятую настройку. Запишите модель клапана, число оборотов или положение регулятора расхода, тип глушителя, настройку демпфирования, осциллограммы давления и интервал осмотра.

Успешное исправление должно устранять механизм, а не только уменьшать звук. Снижение шума без проверки давления и движения может скрыть более медленный, но по-прежнему разрушительный удар в конце хода, неустойчивый режим выхлопа или энергию, которая остается накопленной после отключения.

Часто задаваемые вопросы

Может ли гидроудар возникнуть в пневмосистеме без жидкой воды?

В сухом контуре сжатого воздуха могут возникать переходные процессы давления, быстрое расширение, противодавление выхлопа и механические удары. Называть все эти явления «гидроударом» удобно, но неточно. Установите наличие жидкости, а затем по синхронизированным данным давления и движения определите фактический механизм до выбора оборудования.

Предотвратит ли более крупный распределительный клапан гидроудар в пневмосистеме?

Не обязательно. Канал с большей эффективной площадью может уменьшить установившееся сопротивление, но одновременно быстрее заполнить привод и повысить ускорение. Сопоставьте требуемый расход с данными Cv, Kv или звуковой проводимости, затем проверьте давление в полости, скорость цилиндра, поведение нагрузки, пропускную способность выхлопа и демпфирование в реальных рабочих условиях.

Устраняет ли быстродействующий выхлопной клапан удар давления?

Быстродействующий выхлопной клапан может сократить выхлопной тракт и уменьшить противодавление в полости. Одновременно он способен увеличить скорость привода и темп сброса давления. Сначала измерьте имеющееся ограничение выхлопа, устанавливайте устройство рядом с приводом только при наличии оснований, а затем повторно проверьте скорость, удар в конце хода, шум и безопасность выхлопа.

Может ли воздушный ресивер поглотить переходные процессы давления в пневмосистеме?

Правильно рассчитанный и расположенный ресивер может сглаживать потребление со стороны питания, но не является универсальным гасителем переходных процессов. Он может почти не влиять на локальное ограничение выхлопа или удар цилиндра. Смоделируйте соответствующий объем и расходный тракт, проверьте применимые требования безопасности ресивера и выполните измерения контура после установки.

Что следует проверить службе технического обслуживания после появления повторяющихся ударов?

Проверьте динамическое давление у клапана и привода, загрязнение глушителя, противодавление общего выхлопа, ориентацию регулятора скорости, демпфирование цилиндра, ослабленные крепления, дренажи, сепараторы и нижние точки. Перед вскрытием контура выполните принятую на предприятии процедуру контроля энергии и убедитесь, что накопленная пневматическая и механическая энергия безопасно устранена.

Источники

1. ISO 4414:2010, Пневмоприводы. Общие правила и требования безопасности
2. ISO 8573-1:2010, Загрязнения сжатого воздуха и классы чистоты
3. Руководство OSHA по контролю опасной энергии, 29 CFR 1910.147
4. Техническое руководство SMC AS-R/AS-Q по регулированию на впуске и выхлопе
5. Регулятор скорости и выхлопа SMC JASV
6. Технические данные цилиндра Festo ADNGF