Entendendo o ciclo de vida de um atuador (e por que você deve se preocupar)

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 são uma excelente solução para muitas necessidades de automação de válvulas. Podem ser fornecidos na versão de ação simples (ar para abrir, mola para fechar) ou de ação dupla (ar para abrir, ar para fechar), e estão disponíveis no modelo de cremalheira e pinhão. Além disso, os atuadores pneumáticos contam com uma interface de solenóide NAMUR para o direcionamento do ar de alimentação e uma interface de montagem de interruptor de fim de curso NAMUR. Como um atuador pneumático precisa de ar comprimido para funcionar, seria necessário instalar e manter um compressor e um sistema de tubulação de ar comprimido, além dos requisitos elétricos para que o solenóide acione o atuador. A maioria dos atuadores pneumáticos não inclui um comando manual com desengate como recurso padrão. Os atuadores pneumáticos são ideais para ciclos rápidos e repetidos de abertura e fechamento da válvula e não apresentam problemas relacionados ao ciclo de trabalho.

Atuadores elétricos são uma excelente solução para muitas necessidades de automação de válvulas. Os atuadores elétricos estão disponíveis em várias tensões de entrada e, normalmente, já vêm com comando manual desengatável integrado como recurso padrão. Eles são calibrados para batentes de abertura/fechamento e têm um tempo de ciclo fixo de 90 graus. Outras características incluem uma classificação de proteção do invólucro de acordo com o ambiente, indicadores visuais de posição e sequência de confirmação de posição enviada de volta para um PLC. Os atuadores elétricos são ideais para aplicações em ambientes internos, já que podem ser usados em qualquer lugar onde haja uma fonte de energia disponível. Os atuadores elétricos também precisam de um tempo de descanso para limitar o acúmulo de calor interno, o que resulta 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 modelos pneumáticos quanto os elétricos exigem dimensionamento correto do atuador à válvula que eles acionam. Todos os atuadores têm um torque nominal de saída, enquanto todas as válvulas têm requisitos de torque para abertura e fechamento. Para garantir a vida útil desejada, é fundamental assegurar que a válvula seja inicialmente combinada com um atuador capaz de gerar um torque superior a 25% do “maior torque operacional possível” da válvula. O que é o “maior torque de operação possível” e por que esse não é um requisito consistente? Em uma válvula de esfera, o torque costuma ficar estável durante toda a rotação de 90 graus, da posição aberta à fechada; no entanto, uma válvula borboleta tem outras considerações. As válvulas borboleta têm valores adicionais de torque: torque de ruptura e torque de montagem. Esses valores são bem maiores do que o torque de funcionamento quando o disco está girando entre as posições aberta e fechada. Os valores de torque de desengate e de assentamento podem variar um pouco, então a Asahi leva em conta o maior dos dois para fins de acionamento. Qualquer atuador com potência insuficiente para a válvula terá uma vida útil mais curta do que um conjunto de válvula e atuador dimensionado corretamente.

Frequência de uso É um fator a se levar em conta tanto para atuadores pneumáticos quanto elétricos, sendo que os pneumáticos são claramente os vencedores quando é preciso acionar válvulas de forma rápida e frequente, graças à vantagem do ciclo de trabalho que mencionei antes. Na primeira parte da minha série sobre “Ciclo de Vida”, analisei uma aplicação de enchimento de garrafas e a frequência de acionamento da válvula de esfera usada para encher as garrafas com o produto. Nessa aplicação específica, a atuação pneumática seria a preferida. Os atuadores elétricos precisam de uma pausa para esfriar, mas os pneumáticos abrem e fecham rapidamente e não têm problemas com o ciclo de trabalho, o que os torna ideais para aplicações que exigem atuação repetida. Por outro lado, o contrário também pode ser verdade. Uma válvula que fica na posição fechada por um longo período tende a emperrar. Então, é preciso mais força para iniciar o ciclo de atuação e abrir a válvula. Quando funciona exclusivamente de aberta para fechada e vice-versa, a válvula pneumática é mais rápida. No entanto, se você estiver apenas fazendo pequenas mudanças incrementais de posição em uma válvula acionada, os atuadores elétricos geralmente ficam bem dentro da faixa do ciclo de trabalho. Tanto os atuadores pneumáticos quanto os elétricos, quando adequadamente ajustados à aplicação, podem oferecer uma longa vida útil.

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.

AVISO DO EDITOR: Observe que as informações contidas neste artigo são apenas para fins educacionais e não substituem nenhuma informação técnica ou especificação de produto da Asahi/America. Consulte o departamento técnico da Asahi/America pelo telefone 1-800-343-3618 ou pelo site [email protected] sobre todas as aplicações de produtos no que diz respeito à seleção de materiais com base na pressão, temperatura, fatores ambientais, produtos químicos, mídia, aplicação e muito mais.