устройство управления запорно-регулирующим органом трубопроводной арматуры и способ настройки его ограничителя максимального крутящего момента

Формула изобретения

1. Устройство управления запорно-регулирующим органом, содержащее электродвигатель, узел блокировки, планетарный редуктор, ручной дублирующий червячный привод, червяк которого находится в зацеплении с зубьями, расположенными на наружной поверхности центрального колеса редуктора, и блок конечных выключателей, кинематически связанный с выходным валом устройства, отличающееся тем, что оно снабжено ограничителем максимального крутящего момента, содержащим установленные шарнирно на опорной пластине два рычага с микровыключателями, упорами и расположенной между ними пружиной, два настроечных кулачка, установленных с возможностью поворота, фиксации и взаимодействия с толкателями микровыключателей, два блокирующих кулачка, установленных с возможностью поворота на угол не более 180° при полном ходе выходного вала устройства, и два коромысла, причем два рычага под действием пружины прижаты к плечам соответствующих коромысел, вторые плечи которых установлены с возможностью зацепления с червяком ручного привода, при этом червяк ручного привода установлен с возможностью осевого перемещения на валу ручного привода и снабжен пружинами, расположенными с двух его сторон на валу ручного привода и ограничивающими перемещение червяка, а узел блокировки выполнен в виде механического тормоза, состоящего из установленных на входном валу редуктора полумуфты, расположенной с возможностью свободного вращения на входном валу и выполненной с равномерно расположенными на торцевой поверхности углублениями, тормозного диска, соединенного с помощью шлицов с входным валом и поджатого к фрикционному диску корпуса редуктора с помощью пружины, коаксиально расположенной на входном валу, при этом на торцевой поверхности тормозного диска выполнены углубления, расположение которых соответствует расположению углублений полумуфты, причем в углублениях размещены шарики, обеспечивающие взаимное зацепление полумуфты и тормозного диска.

2. Устройство управления по п.1, отличающееся тем, что планетарный редуктор содержит размещенные в его корпусе зубчатую передачу, расположенную на входном валу, и планетарную передачу, одно центральное колесо которой выполнено с наружными зубьями, а второе центральное колесо выполнено с внутренними зубьями, которые между собой соединены тремя равномерно расположенными на водиле по окружности сателлитами, имеющими два зубчатых венца, вступающими в соответствующие зацепления с центральными колесами, при этом зубья, находящиеся в зацеплении с червяком ручного привода, расположены на наружной поверхности второго центрального колеса.

3. Устройство управления по п.1, отличающееся тем, что кинематическая связь блока конечных выключателей с выходным валом устройства выполнена в виде расположенного на выходном валу устройства дополнительного червяка, находящегося в зацеплении с дополнительным червячным колесом, приводящим во вращение две зубчатые передачи, одна из которых связана с кулачками блока конечных выключателей, а другая - с блокирующими кулачками ограничителя максимального крутящего момента.

4. Способ настройки ограничителя максимального крутящего момента устройства управления запорно-регулирующим органом, состоящего из установленных на опорной пластине двух рычагов с микровыключателями, упорами и расположенной между ними пружины, двух настроечных кулачков, установленных с возможностью поворота, фиксации и взаимодействия с толкателями микровыключателей, двух блокирующих кулачков, установленных с возможностью поворота на угол не более 180° при полном ходе выходного вала, и двух коромысел, причем два рычага под действием пружины прижаты к плечам соответствующих коромысел, вторые плечи которых установлены с возможностью зацепления с подвижным червяком ручного привода, производят следующим образом: на настроечные кулачки наносят деления по порядку номеров, например через 10°, затем при нахождении запорно-регулирующего органа в положении "закрыто" ослабляют гайку, крепящую настроечный кулачок, производят поворот последнего за шлиц, затем подводят один из блокирующих кулачков до касания с одним из рычагов, а другой кулачок отводят от первого кулачка на определенный угол и затягивают гайку, при этом кулачки смещены относительно друг друга по шкале настроечного кулачка, при настройке ограничителя на больший (меньший) крутящий момент поворачивают настроечный кулачок в сторону увеличения (уменьшения) порядкового номера деления на кулачке, что приводит к увеличению (уменьшению) зазора между толкателями микровыключателя и настроечным кулачком, при увеличении зазора крутящий момент на отключение увеличивается.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к приводам, управляющим трубопроводной арматурой, например задвижками или шаровыми кранами, и может быть использовано для дистанционного и автоматического регулирования и управления потоками жидких или газообразных сред запорной аппаратуры, установленной на магистральных трубопроводах.

Обычной практикой для задвижек и кранов является использование исполнительных механизмов, приводимых электродвигателями и, для обеспечения безопасности, ручными дублерами, работающими, например, при отключении питания электродвигателя.

Известен привод для управления запорной арматурой по SU 363832 A, кл. F 16 К 31/05, 25.12.1972, содержащий электродвигатель и встроенный в его корпус планетарный редуктор с ручным дублирующим червячным приводом, причем входная шестерня редуктора выполнена свободно сидящей на валу электродвигателя и жестко связана со звездочкой обгонной муфты двойного действия, обойма которой связана с корпусом редуктора, а вилка - с валом электродвигателя. Венец планетарного редуктора, выполненный в форме червячного колеса, зацеплен с червяком, вал которого связан с маховиком ручного управления и со звездочкой обгонной муфты двойного действия, вилка которой соединена с маховиком ручного управления. При работе от электродвигателя привод работает как обычный мотор-редуктор. Движение передается на выходной вал, а венец червячного колеса тормозиться червячной парой. Ручное управление осуществляется вращением венца при помощи маховика ручного управления и червячной пары. При этом звездочка через заклиненные ролики обгонной муфты фиксирует солнечное (центральное) колесо редуктора. При случайном включении электродвигателя движение от солнечного колеса на венец не передается из-за самотормозящейся червячной пары, чем обеспечивается безопасность работы вручную.

Недостатком известного привода является отсутствие каких-либо средств, предназначенных для отключения электродвигателя от сети при достижении конечных положений запорно-регулирующего органа, а также при возникновении нештатных ситуаций.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является выбранный в качестве прототипа привод запорно-регулирующей арматуры по US 4754949 А, кл. F 16 К 31/05, 05.07.1988, который содержит электродвигатель, узел блокировки, планетарный редуктор, ручной дублирующий червячный привод, червяк которого находится в зацеплении с зубьями, расположенными на наружной поверхности центрального колеса редуктора. Известный привод снабжен блоком конечных выключателей, кинематически связанный с выходным валом привода, соединенным со штоком запорно-регулирующего органа, что обеспечивает своевременное отключение электродвигателя при достижении конечных положений запорно-регулирующего органа.

Несмотря на то, что данный привод снабжен блоком конечных выключателей, однако в нем отсутствуют средства, защищающие арматуру от поломок при возникновении нештатных нагрузок (заклинивании, попадании в полость арматуры инородных тел) в промежуточном положении запорно-регулирующего органа арматуры.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства управления запорно-регулирующим органом трубопроводной арматуры и повышение точности его срабатывания за счет снабжения его ограничителем максимального крутящего момента и выполнением узла блокировки в виде механического тормоза.

Технический результат изобретения достигается тем, что устройство управления запорно-регулирующим органом, содержащее электродвигатель, узел блокировки, планетарный редуктор, ручной дублирующий червячный привод, червяк которого находится в зацеплении с зубьями, расположенными на наружной поверхности центрального колеса редуктора, и блок конечных выключателей, кинематически связанный с выходным валом устройства, снабжено ограничителем максимального крутящего момента, содержащим установленные шарнирно на опорной пластине два рычага с микровыключателями, упорами и расположенной между ними пружиной, два настроечных кулачка, установленные с возможностью поворота, фиксации и взаимодействия с толкателями микровыключателей, два блокирующих кулачка, установленные с возможностью поворота на угол не более 180° при полном ходе выходного вала устройства, и два коромысла, причем два рычага под действием пружины прижаты к плечам соответствующих коромысел, вторые плечи которых установлены с возможностью зацепления с подвижным червяком ручного привода, при этом червяк ручного привода установлен с возможностью осевого перемещения на валу ручного привода и снабжен пружинами, расположенными с двух его сторон на валу ручного привода и ограничивающими перемещение червяка, а узел блокировки выполнен в виде механического тормоза, состоящего из установленных на входном валу редуктора полумуфты, расположенной с возможностью свободного вращения на входном валу и выполненной с равномерно расположенными на торцевой поверхности углублениями, тормозного диска, соединенного с помощью шлицов с входным валом и поджатого к фрикционному диску корпуса редуктора с помощью пружины, коаксиально расположенной на входном валу, при этом на торцевой поверхности тормозного диска выполнены углубления, расположение которых соответствует расположению углублений полумуфты, причем в углублениях размещены шарики, обеспечивающие взаимное зацепление полумуфты и тормозного диска.

Кроме этого, планетарный редуктор содержит размещенные в его корпусе зубчатую передачу, расположенную на входном валу, и планетарную передачу, одно центральное колесо которой выполнено с наружными зубьями, а второе центральное колесо выполнено с внутренними зубьями, которые между собой соединены тремя равномерно расположенными на водиле по окружности сателлитами, имеющими два зубчатых венца, вступающими в соответствующие зацепления с центральными колесами, при этом зубья, находящиеся в зацеплении с червяком ручного привода, расположены на наружной поверхности второго центрального колеса.

При этом кинематическая связь блока конечных выключателей с выходным валом выполнена в виде расположенного на выходном валу устройства дополнительного червяка, находящегося в зацеплении с дополнительным червячным колесом, приводящим во вращение две зубчатые передачи, одна из которых связана с кулачками блока конечных выключателей, а другая - с блокирующими кулачками ограничителя максимального крутящего момента.

Для обеспечения точности и надежности, а также безопасности работы запорно-регулирующего органа трубопроводной арматуры в устройстве его управления предварительно производят настройку ограничителя максимального крутящего момента.

Способ настройки ограничителя максимального крутящего момента, состоящего из установленных на опорной пластине двух рычагов с микровыключателями, упорами и расположенной между ними пружины, двух настроечных кулачков, установленных с возможностью поворота, фиксации и взаимодействия с толкателями микровыключателей, двух блокирующих кулачков, установленных с возможностью поворота на угол не более 180° при полном ходе выходного вала, и двух коромысел, причем два рычага под действием пружины прижаты к плечам соответствующих коромысел, вторые плечи которых установлены с возможностью зацепления с подвижным червяком ручного привода, производят следующим образом: на настроечных кулачках наносят деления по порядку номеров, например, через 10°, затем при нахождении запорно-регулирующего органа в положении "закрыто" ослабляют гайку, крепящую настроечный кулачок, производят поворот последнего за шлиц, затем подводят один из блокирующих кулачков до касания с одним из рычагов, а другой кулачок отводят от первого кулачка на определенный угол и затягивают гайку, при этом кулачки смещены относительно друг друга по шкале настроечного кулачка, при настройке ограничителя на больший (меньший) крутящий момент поворачивают настроечный кулачок в сторону увеличения (уменьшения) порядкового номера деления на кулачке, что приводит к увеличению (уменьшению) зазора между толкателями микровыключателя и настроечным кулачком, при увеличении зазора крутящий момент на отключение увеличивается.

В дальнейшем изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображена кинематическая схема устройства управления запорно-регулирующим органом трубопроводной арматуры;

на фиг.2 - планетарный редуктор с механическим тормозом (в разрезе);

на фиг.3 - ограничитель максимального крутящего момента (общий вид).

Устройство управления запорно-регулирующего органа содержит электродвигатель, узел блокировки, планетарный редуктор, ручной дублирующий червячный привод, ограничитель максимального крутящего момента и блок конечных выключателей.

Электродвигатель 1 связан с входным валом 2 планетарного редуктора 3 через узел блокировки, выполненный в виде механического тормоза 4.

Механический тормоз 4 состоит из установленных на входном валу 2 полумуфты 5, тормозного диска 6 и фрикционного диска 7. Полумуфта 5 расположена с возможностью свободного вращения на входном валу 2 и выполнена с равномерно расположенными на торцевой поверхности углублениями 8. Тормозной диск 6 соединен с помощью шлицов с входным валом 2 и поджат к фрикционному диску 7 корпуса редуктора 3 с помощью пружины 9. Пружина 9 коаксиально расположена на входном валу 2. На торцевой поверхности тормозного диска 6 выполнены углубления 10, расположение которых соответствует расположению углублений 8 полумуфты 5. В углублениях 8 и 10 размещены шарики 11, обеспечивающие взаимное зацепление полумуфты 5 и тормозного диска 6.

Планетарный редуктор 3 содержит зубчатую передачу и планетарную передачу. Зубчатая передача содержит шестерню 12, которая установлена на входном валу 2, и шестерню 13, закрепленную на валу 14 редуктора. Планетарная передача содержит одно центральное колесо 15, закрепленное на валу 14 и выполненное с наружными зубьями, и второе центральное колесо 16, выполненное с внутренними зубьями. Между собой центральные колеса 15 и 16 соединены тремя сателлитами 17, равномерно расположенными по окружности на водиле 18. Каждый сателлит 17 имеет два зубчатых венца, вступающих в зацепление с соответствующими центральными колесами 15 и 16. На наружной поверхности центрального колеса 16 выполнены зубья, находящиеся в зацеплении с червяком 19 ручного привода 20. Ручной привод снабжен рукояткой или маховиком.

Червяк 19 установлен с возможностью осевого перемещения на валу 21 ручного привода 20 и снабжен пружинами 22 и 23. Эти пружины расположены с двух сторон червяка 19 на валу 21 и ограничивают перемещение червяка 19.

Ограничитель максимального крутящего момента содержит установленные шарнирно на опорной пластине два рычага 24 и 25 с микровыключателями 26 и 27, упорами 28 и 29 и расположенной между ними пружиной 30, два настроечных кулачка 31 и 32, установленные с возможностью поворота, фиксации и взаимодействия с толкателями микровыключателей 26 и 27, два блокирующих кулачка 33 и 34, установленные с возможностью поворота на угол не более 180° при полном ходе выходного вала 35 устройства, и два коромысла 36 и 37. Два рычага 24 и 25 под действием пружины 30 прижаты к плечам соответствующих коромысел 36 и 37, вторые плечи которых установлены с возможностью зацепления с подвижным червяком 19 ручного привода 20.

Кинематическая связь блока конечных выключателей 38 с выходным валом 35 устройства выполнена в виде расположенного на выходном валу 35 дополнительного червяка 39, находящегося в зацеплении с дополнительным червячным колесом 40, приводящим во вращение две зубчатые передачи 41 и 42. Зубчатая передача 41 связана с кулачками блока 38 конечных выключателей. Зубчатая передача 42 связана с блокирующими кулачками 33 и 34 ограничителя максимального крутящего момента. Причем передаточные числа таковы, что при n оборотах выходного вала 35 вал кулачков блока 38 конечных выключателей совершает менее одного оборота, а вал кулачков блокировки ограничителя момента поворачивается примерно на ¹/₂ оборота.

Блок 38 конечных выключателей представляет собой установленные в корпусе вал с четырьмя кулачками, имеющими возможность индивидуальной настройки вращением и фиксацией в заданном угловом положении. Напротив каждого кулачка расположены микровыключатели, имеющие возможность взаимодействия с кулачками. Для работы блока конечных выключателей требуется не более одного оборота его кулачков. Это вызвано тем, что применен блок конечных выключателей, используемый в составе однооборотных механизмов.

Ограничитель максимального крутящего момента располагается отдельно от блока 38 конечных выключателей.

Перед началом работы прелагаемого устройства управления предварительно производят настройку его ограничителя максимального крутящего момента.

Способ настройки ограничителя максимального крутящего момента производят следующим образом: на настроечных кулачках 31 и 32 (фиг.3) наносят деления по порядку номеров, например, через 10°, затем при нахождении запорно-регулирующего органа в положении "закрыто" ослабляют гайку, крепящую настроечный кулачок 31 (32), производят поворот последнего за шлиц 43 (44), затем подводят один блокирующий кулачок 33 до касания с рычагом 24, а другой кулачок 34 отводят на угол от первого кулачка 33 и затягивают гайку.

Угол рассчитывают по формуле

где S - необходимое число оборотов выходного вала приводного устройства, и зависит от параметров трубопроводной арматуры,

i - передаточное число от выходного вала к валу блокирующих кулачков (по таблице).

Таблица
Номинальное число оборотов выходного вала привода S, об	Передаточное число от выходного вала к валу блокирующих кулачков, i
10	20
45	90
6	12
45	90
6	12
45	90

Номинальному числу оборотов выходного вала 35 устройства соответствует поворот вала блокирующих кулачков 33 и 34 на угол 180° (см. Таблицу). При этом кулачки 33 и 34 смещены относительно друг друга на одно деление по шкале настроечного кулачка 31 (32), например, на 10°, а величина угла удержания блокирующими кулачками 33 и 34 рычагов 24 и 25 ограничителя момента соответствует не более 5% номинального числа оборотов выходного вала 35 устройства. При настройке ограничителя на больший (меньший) крутящий момент поворачивают настроечный кулачок 31 (32) в сторону увеличения (уменьшения) порядкового номера деления на кулачке, что приводит к увеличению (уменьшению) зазора между толкателями микровыключателя 26 и настроечным кулачком 31. При увеличении зазора крутящий момент на отключение увеличивается. С увеличением угла между кулачками 33 и 34 величина угла удержания рычагов 24 и 25 ограничителя крутящего момента увеличивается.

Далее при настройке руководствуются графиком настройки срабатывания ограничителей крутящего момента на выходном валу 35 устройства управления. Для определения деления на шкале кулачка 31 (32), соответствующего необходимому моменту отключения электродвигателя 1, на графике по оси ординат находят точку, соответствующую необходимому моменту, и от нее проводят горизонтальную линию до пересечения с наклонной линией. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс с делениями шкалы настроечного кулачка 31 (32).

Если регулировка под рабочим давлением трубопровода невозможна, то настройку проводят в два этапа: вначале в условиях, в которых ее можно выполнить, а затем производят подрегулировку в рабочих условиях, когда технологический процесс позволяет открывать и закрывать арматуру. Если же подрегулировка невозможна из-за расположения арматуры в трудно доступном месте, то при первой регулировке создают условия, максимально приближенные к рабочим (давление и перепад давления).

Устройство управления запорно-регулирующим органом трубопроводной арматуры работает следующим образом.

В исходном состоянии (фиг.2) тормозной диск 6 прижат к неподвижному фрикционному диску 7 тормоза 4. При этом шарики 11 в углублениях 8 и 10 полумуфты 5 и тормозного диска 6 находятся в свободном состоянии.

Для перемещения запорно-регулирующего органа арматуры в одно из конечных положений включают электродвигатель 1. Вращение вала электродвигателя 1 передается на входной вал 2 редуктора через механический тормоз 4. Под действием нагрузки (силы сопротивления) происходит взаимное окружное смещение полумуфты 5 и тормозного диска 6 с углублениями 8 и 10 соответственно. При этом под действием шариков 11 тормозной диск 6 отжимается от неподвижного фрикционного диска 7 и, при сохранении нагрузки на выходном валу 35 устройства, удерживается в отжатом состоянии.

От электродвигателя 1 через зубчатую передачу 12-13 редуктора 3 вращение передается на одно центральное колесо 15, наружные зубья которого находятся в зацеплении с зубчатыми венцами сателлитов 17, равномерно расположенных по окружности на водиле 18. При этом происходит остановка второго центрального колеса 16, связанного с червяком 19 ручного привода 20, за счет использования самотормозящейся червячной пары 16-19. Так как центральное колесо 16 заторможено, то сателлиты 17, обкатываясь по внутренним зубьям центрального колеса 16, приводят во вращение водило 18. А оно в свою очередь приводит во вращение выходной вал 35 устройства управления.

При выключении электродвигателя 1 происходит резкое уменьшение крутящего момента электродвигателя 1, и тормозной диск 6 возвращается в исходное (заторможенное) состояние. Причем когда вал электродвигателя 1 вращается, то тормоз 4 не создает потери энергии.

При достижении на запорно-регулирующем органе арматуры в положении "Закрыто" или "Открыто", или в любом промежуточном положении предельной величины крутящего момента, равной установленному на настроечных кулачках 31 и 32 ограничителя значению момента срабатывания, выходной вал 35 и водило 18 останавливаются. Так как электродвигатель 1 остается подключенным к сети, то крутящий момент от вала электродвигателя 1 передается через сателлиты 17 центральному колесу 16, которое заставит переместиться червяк 19 в осевом направлении. Осевое движение червяка 19, в зависимости от направления смещения червяка, преобразуется в угловое перемещение соответствующего коромысла 36 или 37, а затем и соответствующего рычага 24 или 25 под действием пружины 30. Перемещаясь, коромысло 36 или 37 прижимает соответственно толкатель микровыключателя 26 или 27 к одному из настроечных кулачков 31 или 32, вызывая переключение контактов микровыключателей 26 или 27, что приводит к разрыву электрической цепи электродвигателя 1. При этом начальный зазор между настроечным кулачком 31 (32), путем его поворота и фиксации, и толкателем микровыключателя 26 (27) устанавливается в зависимости от заданной величины максимального крутящего момента (нагрузки) на выходном валу 35 устройства. Для исключения срабатывания противоположного микровыключателя от другого настроечного кулачка при смещении червяка в противоположную сторону в начале обратного вращения электродвигателя после его остановки от срабатывания данного микровыключателя соответствующий другой рычаг в начале обратного хода удерживается соответствующим блокирующим кулачком, угол удержания которого настраивается поворотом и фиксацией данного блокирующего кулачка.

Блокирующие кулачки 33 (34) при вращении выходного вала 35 устройства через червячную передачу, зубчатую передачу поворачиваются. Полный угол поворота блокирующих кулачков соответствует полному ходу выходного вала 35 устройства.

Точность срабатывания ограничителя крутящего момента находится в пределах ±10% от настроечного значения.

Как правило, запорно-регулирующий орган арматуры типа задвижки - клин, входящий во внутренний клиновидный зазор (седло) арматуры, перекрывает поток среды, протекающий по трубопроводу, на котором размещена арматура. Закрытие сопровождается резким возрастанием противодействующей нагрузки (силы сопротивления) на выходной вал 35 устройства (в момент контакта клина со стенками клиновидного седла). После состоявшегося контакта клин должен пройти некоторый путь для обеспечения достаточного уплотнения (исключения протечки) и удерживаться под действием заданного с помощью ограничителя максимального момента усилия.

Ограничитель имеет два микровыключателя для выдачи сигнала на остановку двигателя при закрытии и открытии (при открытии ограничитель может служить для обеспечения надежного уплотнения сальника арматуры в целях исключения протечки среды наружу через сальниковый узел).

Ограничитель также может срабатывать при возникновении нештатных нагрузок (заклинивание, попадание в полость арматуры инородных тел) в промежуточном положении запорно-регулирующего органа арматуры.

Ограничитель, таким образом, защищает арматуру от поломок и обеспечивает надежность перекрытия потока среды.

В случае, когда электродвигатель 1 находится в нерабочем состоянии (проведение пуско-наладочных работ, закрытие и открытие арматуры при отказе электродвигателя и т.д.), для управления запорно-регулирующего органа арматуры используют ручной привод 20, который выполняется независимо от движения (вращения) силовых элементов редуктора 3.

При отключенном электродвигателе 1 центральное колесо 15 редуктора 3 с помощью механического тормоза 4 заторможено относительно корпуса редуктора 3. При вращении маховика ручного привода 20 червяк 19, взаимодействующий с зубьями центрального колеса 16, приводит его во вращение. Так как заторможено центральное колесо 15, то сателлиты 17, обкатываясь по наружным зубьям центрального колеса 15, приводят во вращение водило 18, которое в свою очередь приводит во вращение выходной вал 35 устройства управления арматурой. При случайном включении электродвигателя 1 вращение от центрального колеса 16 на червяк 19 не передается из-за самотормозящейся червячной пары, чем обеспечивается безопасность работы вручную, то есть соблюдается требование безопасности - штурвал ручного привода 20 при работе электродвигателя 1 не должен вращаться.

Снабжение устройства управления запорно-регулирующим органом трубопроводной арматуры ограничителем максимального крутящего момента и механическим тормозом дискового типа позволяет повысить надежность работы и точность срабатывания приводного устройства арматуры.