Napędy ćwierćobrotowe DFPD

Napęd pneumatyczny ćwierćobrotowy DFPD to urządzenie wykonawcze przekształcające energię sprężonego powietrza w ruch obrotowy w zakresie typowo 90°, wykorzystywane głównie do automatyzacji zaworów obrotowych, takich jak zawory kulowe czy przepustnice. Mechanizm zębatkowo–zębaty (rack and pinion) zapewnia równomierne przenoszenie momentu obrotowego na całym zakresie pracy, co przekłada się na wysoką precyzję i powtarzalność działania.

Napędy DFPD dostępne są w dwóch głównych wariantach:

• Double-acting (dwustronnego działania) – ruch w obu kierunkach realizowany jest za pomocą sprężonego powietrza.

• Single-acting (jednostronnego działania) – powrót do pozycji spoczynkowej odbywa się dzięki zintegrowanej sprężynie powrotnej.

Oba warianty mają identyczne interfejsy montażowe, ale różnią się konstrukcją wewnętrzną i parametrami momentu obrotowego.

Zakres momentów obrotowych w standardowych wersjach DFPD wynosi od około 10 Nm do 2300 Nm, natomiast w wersjach ciężkich DFPD-HD może sięgać nawet 32 000 Nm. Moment jest proporcjonalny do ciśnienia zasilania, dlatego przy doborze napędu należy uwzględnić zarówno wymagany moment otwarcia zaworu jak i ciśnienie robocze w instalacji.

Napędy tej serii są przeznaczone do automatyzacji zaworów obrotowych w instalacjach przemysłowych, m.in. w branżach chemicznej, spożywczej, wodno-kanalizacyjnej, farmaceutycznej czy energetycznej. Wykorzystuje się je do sterowania przepływem cieczy, gazów, pary technologicznej oraz mediów agresywnych i korozyjnych – w zależności od wybranego wariantu wykonania.

Konstrukcja opiera się na układzie zębatka-wałek zębaty, zamkniętym w aluminiowym korpusie z powłoką antykorozyjną. Wał główny osadzony jest w łożyskach ślizgowych, co zapewnia trwałość i niskie tarcie. W wersji single-acting w komorach bocznych znajdują się sprężyny spiralne, które odpowiadają za powrót do pozycji wyjściowej w przypadku utraty ciśnienia. Całość uszczelniona jest elastomerami odpornymi na oleje i smary przemysłowe.

Standardowy kąt obrotu wynosi 90°, co odpowiada typowej pracy zaworów kulowych i przepustnic. W niektórych modelach dostępne są również wersje z kątem 180°, przeznaczone do aplikacji wymagających pełnego półobrotu. Zakresy krańcowe można regulować śrubami regulacyjnymi w granicach ±5°.

Zakres ciśnienia roboczego wynosi od 2 bar do 8 bar, przy czym maksymalne ciśnienie próbne może dochodzić do 24 bar. Wersje z mniejszymi rozmiarami mogą pracować przy niższych ciśnieniach minimalnych, natomiast w aplikacjach wymagających wysokiego momentu konieczne jest utrzymanie ciśnienia powyżej 6 bar.

Standardowe wersje DFPD pracują w zakresie od –20 °C do +80 °C. Dostępne są jednak wersje specjalne:

• niskotemperaturowe (T6) – do –50 °C,

• wysokotemperaturowe (T4) – do +150 °C.

Wersje te stosowane są w aplikacjach zewnętrznych lub przy pracy z mediami o skrajnych temperaturach.

Dobór odbywa się na podstawie momentu wymaganego przez zawór przy jego otwarciu i zamknięciu. Należy znać moment statyczny i dynamiczny zaworu, współczynnik bezpieczeństwa (zazwyczaj 1,3–1,5), ciśnienie zasilania oraz charakter pracy (single- lub double-acting). Istotne jest też sprawdzenie interfejsu montażowego ISO 5211, umożliwiające montaż na zaworze lub użycie zestawu montażowego.

Napędy FESTO DFPD są zgodne z:

• ISO 5211 – interfejs mocowania do zaworów,

• VDI/VDE 3845 (NAMUR) – interfejs montażowy dla zaworów sterujących i czujników,

• ATEX –do stref zagrożonych wybuchem,

• SIL 2/3 – dla aplikacji wymagających bezpieczeństwa funkcjonalnego.

Tak. Wersje oznaczone jako DFPD-EX spełniają wymagania dyrektywy ATEX dla stref 1, 2 (gazy) oraz 21, 22 (pyły). Mogą być stosowane w instalacjach petrochemicznych i gazowych, gdzie występuje atmosfera wybuchowa. Należy jednak dobrać właściwe oznaczenie grupy i kategorii zgodnie z dokumentacją producenta.

Korpus wykonany jest z aluminium anodowanego lub z powłoką epoksydową, wał ze stali nierdzewnej lub hartowanej stali węglowej, tłoki z aluminium lub stali, a uszczelnienia z NBR, FKM bądź EPDM. Wersje odporne na korozję mogą posiadać śruby i elementy zewnętrzne wykonane w całości ze stali nierdzewnej AISI 316.

Napędy zasilane są sprężonym powietrzem zgodnie z normą ISO 8573-1 klasa 4:4:4 lub lepszą. Dopuszczalne jest powietrze suche, smarowane lub niesmarowane. W przypadku zasilania powietrzem smarowanym należy stosować stałe smarowanie – zmiana na powietrze niesmarowane może obniżyć trwałość uszczelnień.

Każdy napęd posiada standardowy interfejs ISO 5211 na flanszy wyjściowej, umożliwiający bezpośredni montaż zaworu. Do sterowania zaworem można bezpośrednio zamontować zawór NAMUR lub skrzynkę krańcową dzięki interfejsowi VDI/VDE 3845. Przyłącza pneumatyczne mają zazwyczaj gwint G 1/4 lub G 1/8 w zależności od rozmiaru napędu.

Festo oferuje bogaty zestaw akcesoriów: zestawy montażowe do zaworów kulowych i przepustnic, wsporniki montażowe, łączniki wałów, sprzęgła, zestawy czujników krańcowych, zawory NAMUR, reduktory ciśnienia oraz pozycjonery serii CMSX lub VZQA. Akcesoria dobiera się według standardów ISO 5211 i NAMUR.

Regulacja odbywa się przy użyciu dwóch śrub regulacyjnych umieszczonych w górnej części obudowy. Pozwalają one na korektę położenia końcowego w zakresie ± 5°, co umożliwia precyzyjne ustawienie pozycji zaworu w stanie zamknięcia i otwarcia. Warto wykonywać regulację przy odłączonym zasilaniu pneumatycznym.

Napęd został zaprojektowany jako urządzenie bezobsługowe. Regularna konserwacja ogranicza się do kontroli szczelności przyłączy pneumatycznych, czystości powietrza i ewentualnych nieszczelności korpusu. Przy długotrwałej eksploatacji (powyżej 1 mln cykli) zaleca się wymianę uszczelnień.

Napęd montuje się bezpośrednio na zaworze przy użyciu flanszy ISO 5211 lub poprzez zestaw montażowy. Należy dopasować kształt wału napędu (kwadratowy lub podwójny D) do gniazda zaworu. W przypadku montażu pośredniego należy zapewnić osiowość sprzęgła i równoległość płaszczyzn montażowych, aby uniknąć nadmiernych naprężeń.

Czas otwarcia i zamknięcia zależy od rozmiaru napędu, ciśnienia roboczego, przepływu zaworu sterującego i długości przewodów. Przykładowo, dla napędu o momencie 120 Nm przy ciśnieniu 6 bar czas obrotu 90° wynosi około 0,3 s dla wariantu double-acting i 0,5 s dla single-acting.

Standardowy napęd DFPD nie posiada ręcznego przesterowania, jednak Festo oferuje wersje z modułem manualnym lub oddzielne reduktory z funkcją ręcznego sterowania. W aplikacjach wymagających takiej funkcji zaleca się montaż sprzęgła rozłącznego między napędem a zaworem.

Wersja DFPD-D to napęd dwustronnego działania, w którym zarówno otwarcie, jak i zamknięcie zaworu odbywa się za pomocą sprężonego powietrza. Natomiast DFPD-S to napęd jednostronnego działania (ze sprężyną powrotną), w którym powietrze wykorzystywane jest tylko do jednego kierunku obrotu, a powrót następuje automatycznie po jego odcięciu. Wersje z oznaczeniem „S” są często stosowane w instalacjach bezpieczeństwa, gdzie zawór ma wrócić do pozycji zamkniętej przy zaniku ciśnienia.

Oprócz standardowych modeli dostępne są wykonania specjalne:

• DFPD-T4 – wersja wysokotemperaturowa do +150 °C,

• DFPD-T6 – wersja niskotemperaturowa do –50 °C,

• DFPD-R3 – wersja z wałem ze stali nierdzewnej,

• DFPD-EP – z powłoką epoksydową zwiększającą odporność chemiczną,

• DFPD-EX – wersja przeciwwybuchowa zgodna z ATEX,

• DFPD-HD – wersja heavy-duty o momentach do 32 000 Nm.

Dzięki temu napęd można dobrać praktycznie do każdej branży przemysłowej.

Tak. Seria DFPD może współpracować z inteligentnymi pozycjonerami FESTO (np. CMSX, CMSH lub VZQA) umożliwiającymi sterowanie proporcjonalne. W takiej konfiguracji napęd nie tylko wykonuje ruch ON/OFF, ale także może ustawiać zawór w dowolnej pozycji pośredniej na podstawie sygnału 4–20 mA lub 0–10 V.

Czas reakcji zależy od objętości komory, długości przewodów i natężenia przepływu zaworu sterującego. Przy ciśnieniu 6 bar napęd DFPD-120 wykonuje obrót 90° w czasie około 0,3 – 0,5 s. Przy niższym ciśnieniu (np. 3 bar) czas ten może się wydłużyć do około 0,8 s. Czas otwarcia i zamknięcia można regulować zaworami dławiącymi.

Tak, napęd można montować w dowolnej pozycji przestrzennej — pionowo, poziomo lub ukośnie. Zaleca się jednak montaż z wałem w osi poziomej, ponieważ sprzyja to równomiernemu rozłożeniu obciążeń i ułatwia odpływ kondensatu z komory. Wersje z odpływem skroplin posiadają dodatkowe otwory drenażowe.

Napęd można sterować klasycznie za pomocą zaworów NAMUR lub zintegrować z wyższym poziomem automatyki (PLC) poprzez moduły wysp zaworowych Festo CPX. W połączeniu z czujnikami krańcowymi serii SRBC lub pozycjonerami CMSX uzyskuje się pełną diagnostykę i kontrolę położenia w systemie SCADA.

Wersje DFPD-S wyposażone są w zestaw sprężyn, których liczba decyduje o sile powrotu. W zależności od potrzeb można zainstalować od 4 do 12 sprężyn (w parach symetrycznie po obu stronach). W praktyce dobór polega na dopasowaniu konfiguracji sprężyn do wymaganego momentu zamykania przy określonym ciśnieniu roboczym. W dokumentacji producenta znajdują się tabele doboru.

Najczęstsze błędy to:

• brak osiowości pomiędzy wałem napędu a zaworu,

• nieprawidłowe dokręcenie śrub ISO 5211,

• zasilanie powietrzem zanieczyszczonym lub wilgotnym,

• nieprawidłowe ustawienie krańcówek,

• brak zabezpieczenia przed wibracjami.

Błędy te mogą prowadzić do nieszczelności, szybszego zużycia łożysk lub uszczelnień, a w skrajnych przypadkach – do zatarcia mechanizmu.

Na tabliczce znamionowej znajdują się:

• symbol produktu (np. DFPD-120-S-R3-EP),

• numer seryjny,

• zakres ciśnienia roboczego,

• kierunek działania,

• informacje o certyfikatach (ATEX, SIL, CE).

Przed przystąpieniem do jakichkolwiek prac konserwacyjnych lub regulacyjnych należy:

• odłączyć zasilanie pneumatyczne i elektryczne,

• rozładować ciśnienie w komorach,

• upewnić się, że zawór nie znajduje się pod ciśnieniem medium,

• zabezpieczyć napęd przed niezamierzonym obrotem.

  W przypadku napędów zasilanych w systemach bezpieczeństwa obowiązuje stosowanie blokad LOTO (Lock-Out Tag-Out).

Najczęściej wynika on z:

• niedostatecznego ciśnienia zasilania,

• zanieczyszczonego powietrza,

• zużycia uszczelnień tłoków,

• nieszczelności w przewodach lub zaworach,

• niewłaściwego montażu sprężyn w wersji single-acting.

W celu diagnozy zaleca się pomiar ciśnienia bezpośrednio na króćcach napędu i porównanie wyników z wartościami katalogowymi.

Tak, korpus wykonany jest z anodowanego aluminium, a wersje EP posiadają dodatkową powłokę epoksydową o dużej odporności na działanie czynników atmosferycznych i chemikaliów. Elementy zewnętrzne mogą być wykonane ze stali nierdzewnej, a wszystkie śruby są zabezpieczone przed korozją galwaniczną.

Wersje standardowe nie są przeznaczone do pracy w pełnym zanurzeniu, ale doskonale sprawdzają się w aplikacjach zewnętrznych dzięki klasie ochrony IP65 lub IP67. W miejscach o dużej wilgotności zaleca się stosowanie wersji EP lub R3 oraz regularną kontrolę powłoki malarskiej.

Dla napędów DFPD stosuje się sygnalizację:

• mechaniczną – wskaźnik obrotu montowany na wałku,
• elektryczną – czujniki krańcowe indukcyjne lub magnetyczne,
• pneumatyczną – skrzynki krańcowe z zaworami bistabilnymi.

Wszystkie systemy mocuje się zgodnie z interfejsem NAMUR, co zapewnia pełną kompatybilność.

Żywotność napędu zależy od warunków eksploatacji, jednak przy prawidłowym zasilaniu i czystym powietrzu przekracza 1 000 000 cykli. W wersjach heavy-duty (DFPD-HD) żywotność może sięgać nawet 5 milionów cykli. Regularne przeglądy i wymiana uszczelnień pozwalają utrzymać parametry w długim okresie użytkowania.

Tak, w niektórych aplikacjach stosuje się układ hybrydowy, gdzie napęd pneumatyczny DFPD pracuje równolegle z elektrycznym siłownikiem awaryjnym lub pozycjonerem. Umożliwia to realizację funkcji redundancji lub awaryjnego przesterowania w przypadku braku zasilania pneumatycznego.

Zgodnie z normą ISO 8573-1: klasa 4:4:4 lub lepsza. Oznacza to:

• cząstki stałe ≤ 10 µm,
• punkt rosy ≤ +3 °C,
• zawartość oleju ≤ 5 mg/m³.

Zaleca się stosowanie filtrów dokładnych, osuszaczy i separatorów kondensatu, szczególnie w aplikacjach zewnętrznych.

Tak, dopuszcza się stosowanie gazów obojętnych, takich jak azot, pod warunkiem zachowania parametrów ciśnienia i czystości odpowiadających powietrzu sprężonemu. Nie wolno stosować gazów palnych lub toksycznych, ponieważ napęd nie jest przystosowany do ich kontaktu z otoczeniem.

W wersji double-acting zatrzymuje się w aktualnym położeniu. W wersji single-acting sprężyny powrotne automatycznie przesterowują napęd do pozycji bezpiecznej (otwartej lub zamkniętej – zależnie od konfiguracji). Funkcja ta jest kluczowa w systemach bezpieczeństwa procesowego.

Tak, w wielu modelach można odwrócić kierunek obrotu poprzez zmianę położenia tłoków wewnętrznych lub zamianę portów zasilających. Wymaga to jednak wykonania zgodnie z instrukcją producenta – niewłaściwa konwersja może doprowadzić do nieszczelności.

Masa napędów zależy od rozmiaru – od około 1 kg dla modelu DFPD-10 do ponad 77 kg dla DFPD-2300. Długość korpusu rośnie proporcjonalnie do momentu obrotowego. Szczegółowe dane wymiarowe i otworowania zawarte są w kartach katalogowych, zgodnych ze standardem ISO 5211.

Napędy dostarczane są fabrycznie nasmarowane i nie wymagają dodatkowego smarowania. Użyty smar jest odporny na starzenie, wodę i temperatury od –40 °C do +150 °C. W razie regeneracji należy stosować wyłącznie smary zalecane przez producenta, kompatybilne z materiałami uszczelnień.

W połączeniu z pozycjonerami Festo CMSX lub modułami sygnalizacyjnymi CPX-AP-I możliwy jest zdalny odczyt położenia, ciśnienia w komorach, liczby cykli i diagnostyki błędów. Dzięki temu napęd może być elementem systemu predykcyjnego utrzymania ruchu.

Konstrukcja zębatkowo-zębata i łożyskowanie ślizgowe o niskim współczynniku tarcia pozwalają na bardzo dużą częstotliwość przełączeń – nawet do 1 Hz w systemach z szybkim zaworem NAMUR. Przy takiej eksploatacji zaleca się kontrolę temperatury i ciśnienia zasilania.

Objawami są: spadek momentu obrotowego, nierównomierna praca, obecność powietrza w otworach drenażowych oraz wydłużony czas reakcji. Wymiana uszczelnień wymaga demontażu napędu i wykonania próby szczelności po złożeniu.

Tak, producent przewiduje możliwość pełnej regeneracji: wymiany uszczelnień, sprężyn, łożysk i powłok ochronnych. Regeneracja może być wykonana w serwisie producenta lub autoryzowanym centrum Festo, co pozwala na przywrócenie pełnych parametrów użytkowych.

Mechanizm DFPD został zaprojektowany tak, by przenosić krótkotrwałe przeciążenia do 150% momentu znamionowego. Długotrwałe przeciążenie może jednak prowadzić do deformacji wału lub zębów przekładni. Dlatego zawsze zaleca się pozostawienie 20–30% zapasu momentu.

W porównaniu z wcześniejszymi seriami DAPS i DFPI, napęd DFPD oferuje mniejszą masę, szerszy zakres momentów, większą odporność środowiskową, lepszą kompatybilność z systemami NAMUR i ISO 5211, a także prostszy dobór konfiguracji sprężyn. Dodatkowo zastosowano powłoki odporne na UV i chemię przemysłową.

• Zawsze stosuj powietrze oczyszczone zgodnie z ISO 8573-1.

• Regularnie kontroluj szczelność przewodów i złączek.

• Unikaj długotrwałej pracy w skrajnych temperaturach bez odpowiedniej wersji T4/T6.

• Utrzymuj suchy stan wnętrza napędu – kondensat może powodować korozję.

• Co 12 miesięcy wykonuj test działania i pomiar momentu.

W aplikacjach bezpieczeństwa wykonuj próbę awaryjnego przesterowania co najmniej raz w tygodniu.