Pneumaatilised ajamid: Scotch Yoke, Rack & Pinion ja Vane

Veerandpöördelistes pneumoajamites on kasutusel kaks sarnast konstruktsioonilahendust "Scotch yoke" ning "Rack & pinion". Mõlemad muudavad suruõhuga liigutatava kolvi lineaarse liikumise ajami võlli pöörlevaks liikumiseks.

Rack & pinion actuator on eesti keeles hammaslattajam
Scotch yoke actuator on eesti keeles siinuskulissajam ehk ajamite puhul üldisemalt kulissajam
Vane actuator on eesti keeles labaajam

Scotch yoke

Scotch yoke ehk siinuskulissmehhanism muudab lineaarse liikumise pöörlevaks mehaanilise kulissmehhanismi abil. Illustreerimiseks võib meenutada vanade auruvedurite rattaid, kus aurusilindri kepsu lineaarne liikumise muudetakse rataste pöörlemiseks. Või siis kõigile tuttava kolbmootori silindri üles/alla liikumise muutmist väntvõlli pöörlemiseks.

Siinuskulissmehhanismi (Scotch yoke) on hästi iseloomustatud järgmises videos:

Kulissmehhanismi valmistamine on suhteliselt lihtne ja ei nõua suurt töötlemistäpsust. Liikumise iseloomulikuks omaduseks on aga momendi (ajami võimsuse) muutumine kolvi erinevate asendite puhul.

Scotch yoke nimetus tuleb inglise keelsest lineaarset liikuvast kepsust (yoke) ja kepsu külge kinnitatud tihvti (pin) liikumisest kulissi soones (scotch).

Ventiiliajamites ja muudes veerandpöördega seadmetes on ajami pöörlev liikumine piiratud 90 kraadiga, mis on näiteks veerandpöördelise ventiili (pöördklapp, kuulkraan,...) avatud ja suletud asendite vaheks.

Ajamis on suruõhuga liigutatavad kolvid, mille tipus on tihvt (pin). Tihvtid läbivad ajami võllil oleva kangi kahvlikujulist ava ja veavad ajami kangi, seda samaaegselt pöörates, endaga kaasa.

Kuliss tüüpi (Scotch yoke) ajam.
Näidatud on nii täis-pneumaatiline (Double action),
kui ka vedrutagastusega (Single action) ehitus.

Ajamites on kulissmehhanism (Scotch yoke) konstrueeritud viisil, et suurim moment oleks just seal, kus seda on vaja - liikumise alg- ja lõpuosas ehk täiturseade, ehk näiteks ventiili puhul tema avanemis/sulgemis asendis.

Antud ehitusega saavutatav liikumise alg- ja lõpuosa suurem moment on hea lahendus, sest reeglina vajavad seadmed suurimat moment liikumise alustamiseks või lõpetamisel. Näitena tuntumatena pöördliikumisega ventiilid avanemisel ja sulgemisel. Eriti oluliseks muutub see omadus suurte jõudude (suuremate seadmete) puhul. Kulissmehhanismi (Scotch yoke) kasutegur on vahemikus 70-90%.

Kulissmehhanismi kriitiliseks omaduseks on tihvti libisemisega kangi pilus tekkiv kulumine.

Rotork RC seeria kulissajami (Scotch yoke) prospekti leiab 

Ajamites kasutatakse kahte lahendust:

• Double acting – täispneumaatiline ehk suruõhuga liikumine mõlemas suunas
• Single acting – vedrutagastuv ehk üks suund liigub suruõhuga ja tagastus toimub vedru jõul.

Vedrutagastus annab võimaluse ajami iseseisvaks sulgemiseks (Fail safe) ka sel juhul, kui õhusurve mingil põhjusel katkeb. Seepärast on pneumaatilised, vedrutagastusega ajamid tihti kasutusel turvaseadmetena ohtlike ainete käitlemisel, tagades seadmete töö (näiteks ventiilide sulgemise) sõltumata suruõhu olemasolust.

Rack and pinion

Rack and pinion ehk hammaslatt mehhanismis muudetakse lineaarne hammaslati liikumine sellega hambuva hammasratta pöörlemiseks. Näiteks autodes on hammaslattrool laialt levinud lahendus. Hammaslatt  konstruktsiooni iseloomulikuks omaduseks on momendi (võimsuse) püsimine konstantsena kogu ajami liikumistsükli vältel.

Rack & pinion nimetus tuleb pöörleva hammasratta (pinion) liikumisest hammaslati (rack) suhtes.

Ventiiliajami  hammaslatt (Rack & pinion) konstruktsiooni selgitav  joonis on siin:

Hammaslatt (Rack & pinion) on kulumisele vastupidav lahendus, kuna puudub libisemisel tekkiv hõõrdumine, mistõttu talub hammaslatt suuri koormusi, mida on vaja raskelt koormatud paigaldustes.

Hammaslattmehhanismi (Rack & pinion) konstantse momendi tõttu kasutatakse hammaslattajameid täpsust nõudvates pöördliikumisega seadmetes ja ventiilides.  Hammaslattajami kasutegur on vahemikus 85-90% ühe juhtlati, või 92-97% kahe juhtlatiga ajamites.

Rotork GT seeria hammaslatt (Rack & Pinion) ajami prospekti leiab 

Ajamite  momendigraafik

Täis pneumaatiline - double acting:

Punane pidevjoon on kulissajami (Scotch yoke) moment

Must katkendjoon on hammaslattajami (Rack & pinion) moment

Sinine ala on tüüpiline pöördklapi poolt tarbitav momendigraafik

Tasub pöörata tähelepanu kulissajamite (Scotch yoke) omadusele, et nende lõpumoment on väiksem kui algmoment (umbes 75% ). Samuti tuleb vedrutagastuse valimisel arvestada, et käigu lõpuosas väheneb ka vedru poolt arendatav moment.

Näiteks elastse tihendusega pöördklapp (soft seated butterfly) vajab just käigu alguses kinni asendist lahtrirebimiseks suuremat momenti aga metalltihendusega pöördlapp vajab oma käigu lõpus tiheduse saavutamiseks suuremat momenti – selliseid muutusi peab arvestama nii ajami kui ka vedrutagastuse valimisel.

Üldise tendentsina soovitavad valmistajad suuremate kinni/lahti töötavatele seadmetele ja ventiilidele valida kulissmehhanismi (Scotch yoke), kasutades ära suuremat alg- ja lõpumomenti, mis võimaldab väiksemaid ajami kolvi diameetreid ehk väiksemat/odavamat ajamit kui hammaslatt ajam.

Hammaslatt mehhanismi (Rack & pinion) soovitatakse kasutada reguleerivatele ajamite puhul, kuna kulissajmitel (Scotch yoke) on probleeme oma asendi fikseerimisel liikumise keskmises osas.

Hammaslattajam (Rack & pinion) tuleb valida ka üle 90 kraadilist liikumist vajavate seadmete puhul, näiteks  kolm-tee ja neli-tee ventiilide ajamiks, mis vajavad 180° liikumist,  sest siinuskulissajami (Scotch yoke) maksimaalne liikumisulatus on 95°.

Vane

Kolmandaks pneumaatiliste ajamite konstruktsiooniks on „Vane“ ehk laba-ajam. See ei ole nii laialt levinud kuid on oma positsioone laiendav lahendus.

Erinevalt kahest eelnimetatust, ei toimu laba-ajamil (Vane) lineaarse liikumise muutmist pöörlevaks kuna siin liigub suruõhu toimel korpuses olev laba ja kuna ta on ühes otsas kinnitatud jäigalt ajami võllile on laba liikumine iseenesest ka võlli pöörlemine. Seetõttu puudub laba-ajamis mehhaaniline ülekande mehhanism ning sellest põhjustatud ajami korpust või täiturseadme võlli koormavad kõrvaljõud.

Laba (Vane) tüüpi ajam on ehituselt oluliselt lihtsam kui kulissajam (Soctch yoke) või hammaslattajam (Rack & pinion). Siin annab mehaanilise ülekande puudumine väga suure töökindluse ja pika eluea. Ülekandemehhanismi puudumine  tõttu on ka vajalike varuosi vähe ja ajam on vähem pretensioonikas kasutatava suruõhu kvaliteedi suhtes. Seetõttu on labaajami (Vane) kasutuskulud väiksemad kui kuliss- või hammaslatt ajamitel.

Laba-ajami (Vane) väljundmoment on konstantne ja võimaldab väikeses korpuses arendada suuri võimsusi (maksimaalne moment üle 18 000 Nm).

Laba-ajam (Vane) on kohese reageerimisega ehk väga kiire, sobides hästi nii kuulkraanidest kui ka pöördklappidest turvaventiilidele ning on täiesti domineeriv rootorsiibrite ja  salusiide (damper) ajamina.

Laba-ajam (Vane) on ka täpne (moduleerimise täpsusega üle 0,25%) ja reageerib identselt kogu oma käigu ulatuses koheselt ja ühtemoodi, sobides seetõttu hästi reguleerivaks ajamiks.

Ka laba-ajamite puhul on võimalik lisada iseseisev tagastumise funktsioon (Fail safe). Selleks kasutatakse kas suruõhu lisareservuaari või spiraalvedruga vedrumoodulit, mis kinnitub otse ajami võllile. Kuna labaajamil kasutatakse kellavedru tüüpi pikka spiraalvedru, on ajami liikumisel tagastusvedru momendi vähenemine oluliselt väiksem võrrelduna kuliss- või hammaslattajamites kasutavate lineaarsete vedrutagastusega.

Rotorki K-Tork labaajami (Vane actuator) prospekti leiab SIIT.