novembro 17, 2025
Entendendo o ciclo de vida de um atuador (e por que você deve se preocupar)
Parte Dois: Uma visão prática dos tipos de atuadores e as vantagens de um em relação a outro
Contribuição de Dave Hurley, gerente de informações sobre produtos
Um “ciclo de atuação” é definido como o resultado de um atuador que aciona uma válvula aberta e depois fechada em um ambiente de processo instalado. O número total esperado de vezes que o atuador pode realizar o ciclo de abertura/fechamento de uma determinada válvula em condições ideais é a vida útil do ciclo do atuador. No entanto, a vida útil do ciclo de um atuador não é fixa e varia muito, dependendo das condições de operação da válvula conectada ao atuador. Outros fatores, como ciclo de trabalho, ambiente e classificações do gabinete, fonte de alimentação e sinal de controle, dimensionamento adequado do atuador e frequência de uso, podem influenciar a vida útil do ciclo do atuador.
Os fabricantes projetam atuadores para serem soluções operacionais de válvulas automatizadas robustas e de longo prazo. Os ambientes em que os atuadores são usados podem variar muito, incluindo processos internos e externos. A operação do atuador pode variar desde a simples tarefa de girar válvulas de esfera de um quarto de volta ou válvulas borboleta até operações mais avançadas de várias voltas encontradas em válvulas de diafragma ou válvulas de gaveta. Seja qual for a aplicação ou o ambiente, você deve sempre se certificar de que um atuador está à altura da tarefa de abrir e fechar repetidamente uma válvula.
Discutiremos dois tipos principais de atuadores: pneumático e elétrico – ambos oferecem benefícios de desempenho distintos em aplicações específicas. A escolha do acionamento é feita com base no custo, na disponibilidade de recursos e na capacidade de controlar manualmente a válvula para uma posição aberta ou fechada em caso de perda de energia.
Os atuadores não são de tamanho único; eles são idealmente combinados com válvulas que atendam aos requisitos adequados de tamanho e torque. Como regra geral, um atuador deve ser capaz de fornecer cerca de 25% a mais de torque de saída disponível do que os requisitos da válvula que está operando. Esse buffer garante uma operação confiável em toda a faixa de condições em que a válvula deve operar. Agora, vamos examinar mais de perto o que deve influenciar sua decisão na escolha entre um atuador pneumático e um elétrico.
Atuadores pneumáticos também são uma excelente solução para muitas necessidades de automação de válvulas. Eles podem ser fornecidos como de ação simples (ar para abrir, mola para fechar) ou de ação dupla (ar para abrir, ar para fechar) e estão disponíveis em um projeto de cremalheira e pinhão. Além disso, os atuadores pneumáticos apresentam uma interface de solenoide NAMUR para rotear o suprimento de ar e uma interface de montagem de chave fim de curso NAMUR. Como um atuador pneumático requer ar comprimido para funcionar, um compressor e um sistema de tubulação de ar comprimido precisariam ser instalados e mantidos, além dos requisitos elétricos para que o solenoide opere o atuador. A maioria dos atuadores pneumáticos não inclui um acionamento manual desacoplável como recurso padrão. Os atuadores pneumáticos são adequados para ciclos rápidos e repetidos de abertura/fechamento da válvula e não apresentam nenhuma preocupação com o ciclo de trabalho.
Atuadores elétricos são uma excelente solução para muitas necessidades de automação de válvulas. Os atuadores elétricos estão disponíveis em uma variedade de tensões de entrada e, normalmente, incluem controles manuais embutidos e desacopláveis como recurso padrão. Eles são calibrados para paradas de extremidade aberta/fechada e incluem um tempo de ciclo fixo de 90 graus. Outros recursos incluem uma classificação de gabinete com base na localização ambiental, indicadores visuais de posição e sequenciamento de confirmação de posição para um PLC. Os atuadores elétricos são ideais para aplicações internas, pois podem ser usados onde quer que haja uma fonte de energia disponível. Os atuadores do tipo elétrico também exigem tempo de descanso para limitar o acúmulo de calor interno, resultando em um ciclo de trabalho nominal que leva em conta o tempo de resfriamento necessário para evitar o superaquecimento do motor. Esses atuadores estão disponíveis nos modelos Aberto/Fechado, Modulante, à prova de falhas ou Modulante à prova de falhas, adequados para diversos requisitos de aplicação.
O ciclo de trabalho aplica-se exclusivamente a atuadores elétricos. É um equilíbrio entre a porcentagem de tempo em que o motor do atuador está funcionando e o tempo em que o atuador está em repouso. O ciclo de trabalho pode ser expresso pela fórmula abaixo:
O cumprimento de uma classificação de ciclo de trabalho evita o superaquecimento do motor, aumentando assim a vida útil do atuador ao proporcionar a ele um tempo de resfriamento. Fatores como seguir a regra geral de “classificação de saída de torque da válvula mais 25%” também ajudam a garantir que o atuador permaneça dentro da faixa de ciclo de trabalho nominal. Além disso, a temperatura e a umidade do ambiente podem afetar negativamente a capacidade dos atuadores de dissipar o calor, reduzindo assim a capacidade de manter o ciclo de trabalho nominal.
O ambiente operacional do atuador pode afetar negativamente a vida útil de seu ciclo. Os atuadores elétricos preferem ambientes secos e com baixa umidade sempre que possível. Os atuadores pneumáticos são menos suscetíveis a esses efeitos adversos e podem ser encontrados em alguns dos ambientes mais severos e desafiadores.
A classificação do invólucro é principalmente uma preocupação para os atuadores elétricos, mas também pode se aplicar aos atuadores pneumáticos. Quando uma chave fim de curso, solenoide ou posicionador é adicionado à válvula e ao atuador, cada acessório tem sua própria classificação de gabinete elétrico. A norma NEMA Enclosure Ratings está listada abaixo para referência:
De modo geral, as classificações NEMA Tipo 4 e NEMA Tipo 4X com resistência adicional à corrosão (para locais gerais) são as metas mais comuns de projeto de invólucro. Eles oferecem uma boa variedade de ambientes de trabalho, desde que um local perigoso não seja uma consideração para o atuador. Alguns atuadores podem ser classificados como NEMA Tipo 6 para submersão temporária; no entanto, um atuador pneumático com um solenoide montado remotamente é uma solução muito melhor para ambientes de submersão temporária, pois proporcionará maior vida útil ao produto.
Tanto os atuadores pneumáticos quanto os elétricos exigem uma fonte de alimentação operacional e um sinal de controle comutável para operar a válvula acionada (e, como mencionado anteriormente, os atuadores pneumáticos também exigem um sistema de ar comprimido). Os atuadores elétricos requerem energia constante, sem picos de energia, surtos ou alimentações cruzadas. Ao configurar um grupo de atuadores elétricos acionados por capacitores com motor de reversão, cada atuador precisará de sua própria chave ou contatos de relé para evitar alimentação cruzada entre os atuadores. Esse fenômeno faria com que ambos os enrolamentos fossem alimentados, criando uma luta interna por energia e gerando calor extremo no motor. Os atuadores pneumáticos não têm esse problema porque o solenoide pode ser montado em um banco e alimentado coletivamente. Os casos de alimentação cruzada podem reduzir drasticamente a vida útil do ciclo de um atuador elétrico, portanto, evitá-los é fundamental para a confiabilidade, a precisão da parada de posição e a previsibilidade do desempenho.
Tanto os projetos pneumáticos quanto os elétricos exigem o dimensionamento adequado do atuador para a válvula que operam. Todos os atuadores têm um torque de saída nominal, enquanto todas as válvulas têm requisitos de torque para abertura e fechamento. Para manter o ciclo de vida desejado, é fundamental garantir que uma válvula seja inicialmente emparelhada com um atuador capaz de produzir um torque superior a 25% do torque operacional da válvula com “maior capacidade”. O que é o torque operacional de “maior capacidade” e por que esse não é um requisito consistente? Com uma válvula de esfera, o torque é normalmente estável durante a rotação de 90 graus de aberta para fechada; no entanto, uma válvula borboleta tem considerações diferentes. As válvulas borboleta têm valores de torque adicionais: torque de ruptura e torque de assentamento. Esses valores são muito maiores do que o torque de funcionamento ao girar o disco entre as posições aberta e fechada. Os valores de torque de ruptura e de assentamento podem ser ligeiramente diferentes, de modo que a Asahi considera o maior dos dois para a consideração de atuação. Qualquer atuador que não tenha potência suficiente para a válvula terá um ciclo de vida mais curto do que um pacote de válvula e atuador de tamanho adequado.
A frequência de uso é uma consideração para os atuadores pneumáticos e elétricos, sendo que os atuadores pneumáticos são claramente os vencedores quando é necessária a atuação rápida e frequente da válvula, graças à vantagem do ciclo de trabalho mencionada anteriormente. Na primeira parte da minha duologia Cycle Life, analisei uma aplicação de enchimento de garrafas e a frequência de atuação da válvula de esfera usada para encher garrafas com o produto. Nessa aplicação específica, a preferência seria pelo acionamento pneumático. Os atuadores elétricos precisam de uma pausa para resfriar, mas os atuadores pneumáticos abrem e fecham rapidamente e não se preocupam com o ciclo de trabalho, o que os torna ideais para aplicações que exigem atuação repetida. Por outro lado, o oposto também pode ser verdadeiro. Uma válvula que fica em uma posição fechada por um longo período tende a se fixar no lugar. Assim, você precisará de mais força para iniciar o ciclo de atuação e abrir a válvula. Quando você estiver operando exclusivamente da posição aberta para a fechada e vice-versa, a pneumática é mais rápida. No entanto, se você estiver simplesmente fazendo pequenas alterações incrementais de posição em uma válvula atuada, os atuadores elétricos normalmente estão bem dentro da faixa do ciclo de trabalho. Tanto os atuadores pneumáticos quanto os elétricos, quando balanceados adequadamente para a aplicação, podem proporcionar um ciclo de vida longo.
Muitas vezes, ao longo de meus 35 anos de carreira, os clientes me ligavam para dizer que seu atuador “se desgastou” ou “queimou” e que pretendiam substituir apenas o atuador. Embora em alguns casos isso possa ser vantajoso, em minha experiência, nunca rende algo próximo ao equivalente ao ciclo de vida do atuador original. Uma válvula que tenha estado em serviço por um determinado período de tempo e tenha sido submetida a mudanças de temperatura, produtos químicos, influências ambientais, exposição a raios UV, etc., pode ficar pegajosa ou deformada internamente, geralmente operando em um nível de desempenho inferior ao de quando era nova ou falhando completamente. Ao instalar um novo atuador, é essencial verificar a operação manual da válvula, verificar as especificações do fabricante (para garantir que a válvula esteja operando dentro dos requisitos de torque) e confirmar se a lubrificação ainda está lubrificando a válvula de forma eficaz. Levar esses fatores em consideração e garantir que esses requisitos sejam atendidos resulta em um atuador de melhor desempenho e em uma vida útil mais longa do ciclo do atuador.