МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ ПРИВОД И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ПОДАЧИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 1996 года по МПК F15B9/16 

Изобретение относится к области пневмогидроавтоматики и может быть использовано в системах дистанционного управления, в частности для переключения и следящего движения регулирующей арматуры нефтегазопроводов и других объектов, требующих гарантированного срабатывания даже при наличии отказов отдельных элементов.

Уровень техники в данной области характеризуется тем, что известен многоканальный резервированный привод, содержащий задающее устройство и силовые каналы, имеющие исполнительные механизмы с поршневыми цилиндрами, линии подвода и сброса рабочей среды, средства контроля срабатывания и подключения резервного канала и распределительное устройство с распределителем, содержащим корпус с полостями подвода, отвода к потребителю и сброса рабочей среды, запорный элемент в виде цилиндрического золотника и элемент управления последним [1]
Техническими недостатками этого привода и распределителя являются узость функциональных возможностей, а также низкие надежность и КПД, связанные с большими потерями рабочей среды на золотнике и одинаково высокой чувствительностью всех каналов к загрязнениям, неизбежным при использовании рабочей среды из нефтегазопровода.

Известен также многоканальный резервированный привод, содержащий задающее устройство и силовые каналы, имеющие кинематически связанные с общим выходным валом исполнительные механизмы, по меньшей мере один из которых выполнен в виде поршневого исполнительного цилиндра с полостями, подключенными с помощью распределительного устройства к линиям подвода и сброса рабочей среды, а также средства контроля срабатывания и подключения резервного канала [2]
Кроме того, известен распределитель для подвода рабочей среды, содержащий корпус с полостями подвода, отвода к потребителю и сброса рабочей сред и с камерой управления, а также жестко соединенные первый и второй запорные элементы, первый из которых поджат пружиной к неподвижному нормально закрытому седлу, выполненному в корпусе для периодического соединения полостей подвода и отвода, а второй размещен с возможностью взаимодействия с выполненным для периодического разъединения полостей отвода и сброса подвижным седлом, размещенным на торце плавающего полого толкателя, соединенного с поршнем, установленным в камере управления с образованием поршневой полости, подключенной к элементу управления для сброса или подвода рабочей среды под давлением и с возможностью перемещения поршня совместно с толкателем на величину хода, превышающую полный ход второго запорного элемента [3]
Техническими недостатками данных привода и распределителя являются также узость функциональных возможностей, низкие надежность и КПД, обусловленные необходимостью тонкой очистки рабочей среды, что препятствует использованию перекачиваемого вещества из нефтегазопродуктовода или продуктов горения топлива, имеющих высокую температуру и выделяющих при охлаждении смолистые вещества, недостаточным усилием страгивания, одновременно существует потребность гарантированного электроснабжения и частых проверок и контроля работоспособности.

Кроме того, известный распределитель сложен конструктивно и имеет ограниченные возможности из-за увеличенных радиальных размеров, так как первый запорный элемент должен иметь диаметр, охватывающий две концентрично расположенные полости, и второй запорный элемент, выполненный на одном пояске с первым. При этом большой диаметр уплотнительной поверхности первого запорного элемента увеличивает силу прижатия его к седлу, что уменьшает надежность распределителя и привода в целом в режиме длительной готовности (ожидании) к выполнению переключений с большим временным промежутком между ними.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение надежности и КПД, что достигается за счет технического результата, состоящего в снижении чувствительности к засорению, расширении номенклатуры используемой рабочей среды, увеличении усилия страгивания, уменьшении потребности в проверках и контроле, а также в снижении потребной мощности гарантированного электроснабжения с одновременным уменьшением необходимого диаметра первого запорного элемента и усилия его прижатия к неподвижному седлу и сокращением радиальных габаритов распределителя, что позволит более целесообразно разместить его в приводе. Все это направлено на сокращение непроизводительных потерь рабочей среды и энергии и повышение схемной надежности функционирования распределительного устройства и привода в целом.

Сущность изобретения заключается в том, что в многоканальном резервированном приводе, содержащем задающее устройство и по меньшей мере два силовых канала, имеющие кинематически связанные с общим выходным валом исполнительные механизмы, по меньшей мере один из которых выполнен в виде поршневого исполнительного цилиндра с полостями, подключенными с помощью распределительного устройства к линиям подвода и сброса рабочей среды, а также средства контроля срабатывания и подключения резервного канала, по меньшей мере один из каналов выполнен с исполнительным механизмом в виде струйного двигателя, подключенного к указанной линии подвода или к автономному источнику рабочей среды, а упомянутый исполнительный цилиндр выполнен с симметричным сдвоенным поршнем и снабжен механизмом страгивания в виде двух встречно установленных по краям короткоходовых цилиндров с полостями, подключенными к указанному распределительному устройству, кроме того, один из упомянутых исполнительных механизмов снабжен резервным источником рабочей среды в виде твердотопливного газогенератора, по меньшей мере один из силовых каналов выполнен с исполнительным механизмом в виде электродвигателя, распределительное устройство выполнено в виде двух распределителей, имеющих каждый четыре полости, одна из которых соединена с линией подвода, другая -с линией сброса, а две остальные совместно подключены к одной полости исполнительного и одной полости короткоходового цилиндров, выходной вал соединен с исполнительным цилиндром с помощью дополнительно установленного в последнем и соединенного с поршнем кулисного механизма.

При этом распределитель для подвода рабочей среды, предназначенный для его использования в вышеизложенном приводе, содержащий корпус с полостями подвода, отвода к потребителю и сброса рабочей среды и с камерой управления, а также жестко соединенные первый и второй запорные элементы, первый из которых поджат пружиной к неподвижному нормально закрытому седлу, выполненному в корпусе для периодического соединения полостей подвода и отвода, а второй размещен с возможностью взаимодействия с выполненным для периодического разъединения полостей отвода и сброса подвижным седлом, размещенным на торце плавающего полого толкателя, соединенного с поршнем, установленным в камере управления с образованием поршневой полости, подключенной к элементу управления для сброса или подвода рабочей среды и с возможностью перемещения поршня совместно с толкателем на величину хода, превышающую полный ход второго запорного элемента, выполнен с двумя изолированными в корпусе полостями отвода к потребителю, подвижное седло и второй запорный элемент размещены с возможностью перемещения между первой и второй полостями отвода, а второй запорный элемент для соединения с первым запорным элементом снабжен штоком, размещенным в первой полости отвода, при этом толкатель снабжен радиальным уплотнителем, размещенным между второй полостью сброса, кроме того, первая полость отвода выполнена в виде цилиндрической расточки, а второй запорный элемент размещен на дополнительно выполненном пояске, отделяющем эту расточку от второй полости отвода, последняя и полость сброса выполнены в виде цилиндрических расточек, разделенных пояском, выполненным с внутренним диаметром, равным диаметру толкателя, подвижное и неподвижное седла выполнены с соотношением диаметров, равным 1,2-1,4, а поршень выполнен с наружным диаметром, равным 1,6-2 внутреннего диаметра неподвижного седла.

На фиг. 1 изображена схема многоканального резервированного привода; на фиг. 2 поперечный разрез струйного двигателя; на фиг.3 схема распределителя для подвода рабочей среды.

Привод содержит, например, три силовых канала, имеющих кинематически связанные с общим валом 1 исполнительные механизмы в виде поршневого исполнительного цилиндра 2, струйного двигателя 3 и электродвигателя 4. К задающему устройству (не изображено) подключены устройство 5 управления электродвигателем 4, элементы 6, 7 управления цилиндром 2 и переключатель 8 потоков струйного двигателя 3, а также средства контроля срабатывания и подключения резервных каналов (не изображено). Электродвигатель 4 имеет устройство 9 отключения при аварии и механическую передачу 10 для связи с валом 1, струйный двигатель 3 имеет патрубки 11, 12, сопла 13, 14, 15, 16, ротор 17 и механическую передачу 18 для связи с валом 1.

Цилиндр 2 выполнен с симметричным сдвоенным поршнем, то есть с двумя поршнями 19, 20, соединенными штоком 21, и снабжен механизмом страгивания в виде встречно установленных по краям короткоходовых цилиндров 22, 23, имеющих поршни 24, 25, штоки 26, 27 и полости 28, 29. Штоки 26, 27 частично выдвинуты в полости 30, 31 поршней 19, 20. Распределительное устройство выполнено в виде распределителей 32, 33. Вал 1 соединен с цилиндром 2 с помощью дополнительно установленного в последнем и соединенного в поршнем 19 (20) через шток 21 и поводок 34 кулисного механизма с кулисой 35. Линия 36 подвода рабочей среды, например, из газо- или нефтепровода, связана с распределителями 32, 33 и переключателем 8. Линия 36 может быть связана с автономными источником рабочей среды, например с газовым баллоном (не изображен). К переключателю 8 подключен резервный источник рабочей среды в виде твердотопливного газогенератора 37 (называемого также пороховым аккумулятором давления), имеющего слаботочный, например радиоуправляемый, элемент включения в виде пиропатрона 38.

Распределитель 32(33) рабочей среды содержит корпус 39 с полостью 40 подвода рабочей среды из линии 36, первой и второй полостями 41, 42 отвода к потребителю, совместно подключенными к полости 30 (31) и полости 28(29), и с полостью 43 сброса рабочей среды. Первый и второй запорные элементы 44, 45 жестко соединены штоком 46, размещенным в полости 41. Запорный элемент 44 поджат пружиной 47 к неподвижному нормально закрытому седлу 48, выполненному в корпусе 39, а запорный элемент 45 размещен с возможностью взаимодействия с подвижным седлом 49, размещенным на торце плавающего полого толкателя 50, соединенного с поршнем 51, установленным в камере 52 управления с образованием поршневой полости 53, подключенной к элементу 6 (7) управления с возможностью перемещения поршня 51 с толкателем 50 на величину хода, превышающую полный ход запорного элемента 45. Седло 49 и элемент 45 размещены с возможностью перемещения между полостями 41, 42. Толкатель 50 снабжен радиальным уплотнением 54, размещенным на пояске 55 между полостями 42, 43. Полость 41 выполнена в виде цилиндрической расточки, а элемент 45 размещен на пояске (не обозначен), отделяющем эту расточку от полости 42. Полости 42, 43 выполнены в виде цилиндрических расточек, разделенных пояском 554 с внутренним диаметром, равным диаметру толкателя 50. Седла 48, 49 выполнены с соотношением внутренних диаметром d₁:d₂ равным 1,2-1,4, а поршень 51 с наружным диаметром d₃, равным 1,6-2 внутреннего диаметра d₁ седла 48. Полости 41, 42 соединены окнами 56, 57 с полостями 30, 28 (31, 29). Окна 58, 59 соединены с линией сброса рабочей среды (не обозначена). В толкателе 50 имеется полость 60 для связи седла 49 с полостью 43. Вал 1 связан с регулирующим органом (не изображен) газонефтепродуктовода, элементы 6, 7 имеют каждый золотник и электромагнит (не обозначено).

Многоканальный резервированный привод и распределитель для подвода рабочей среды работают следующим образом.

В составе оборудования газонефтепродуктоводов многоканальные приводы размещены у регулирующих органов, которыми чаще всего являются пробки шаровых кранов или поворотных заслонок. Примеси, содержащиеся в транспортируемой рабочей среде, забивают зазоры между пробкой (заслонкой) и внутренними поверхностями корпусных деталей, что приводит к залипанию этих регулирующих органов в крайних положениях. Поэтому для их страгивания и перемещения требуются значительные усилия.

При поступлении на задающее устройство команды на поворот регулирующего органа продуктовода, в том случае, если присутствует питание от силовой электросети, подается сигнал на включение электродвигателя 4, который через передачу 10 приводит в движение вал 1. Если средства контроля подтверждают срабатывание регулирующего органа, отработка команды на этом заканчивается. Однако в силовой электросети неизбежны периодические отключения электропитания по различным причинам.

В этом случае, а также в тех случаях, когда средства контроля не подтверждают срабатывания регулирующего органа от электродвигателя, может быть использован резервный канал с цилиндром 2 или со струйным двигателем 3. Для задействования струйного двигателя 3 задающее устройство формирует входной сигнал на переключатель 8, который открывает доступ рабочей среды под давлением в патрубок 11 или 12. Струя вытекает из ротора 17 через сопла 13, 16 или 14, 15 и создает пару реактивных сил, вращающих ротор 17. При начале вращения ротора 17 передача 18 соединяет его с валом 1, который осуществляет поворот регулирующего органа, после чего переключатель 8 прекращает доступ рабочей среды в патрубок 11 (12) и ротор 17 останавливается.

В тех случаях, когда усилие страгивания является наибольшим, например после большого перерыва в работе регулирующего органа и при отрицательных (до -50 ^o С) температурах окружающей среды, целесообразно использовать цилиндр 2.

При подаче входного сигнала, например, на элемент 6 управления его электромагнит переключает золотник в положение, при котором в полость 53 поступает рабочая среда под давлением. Поршень 51 и подвижное седло 49 перемещается к запорному элементу 45, обеспечивая отделение полостей 41, 42, 28, 30 от полости 43 сброса рабочей среды (полости 29, 31 в это время соединены через распределитель 33 со сбросом рабочей среды). При этом исключен переток рабочей среды из линии 36 в полость 43 сброса, связанную, как правило,с атмосферой. При дальнейшем повышении давления в полости 53 поршень 51, передавая усилие пружины 47 и давления на запорный элемент 44, перемещает последний влево, в результате чего открывается проход рабочей среды под давлением из линии 36 в полости 28, 30. Давление, действуя на поршни 19, 24, создает суммарное усилие страгивания, которое передается через шток 21 и кулисный механизм 34-35 на вал 1. Поршень 24 участвует в перемещении на начальном участке, обеспечивая усилие, необходимое для страгивания регулирующего органа. При подходе поршней 19, 20 к крайнему правому положению последний перемещает поршень 25 в исходное положение. При этом средства контроля подтверждают срабатывание регулирующего органа и переключает элемент 6 управления в первоначальное положение. Давление в полости 53 падает и под действием пружины 47 запорный элемент 44 перекрывает седло 48, отделяя полости 28, 30, 41, 42 от линии 36 подвода рабочей среды под давлением. Поршень 51 и седло 49 перемещается вправо под действием остаточного давления в полости 41 и седло 49 открывается, соединяя полости 28, 30, 41, 42 со сбросом рабочей среды.

Во всех описанных случаях для поворота регулирующего органа необходимо электропитание от силовой электросети или наличие давления в линии 36 подвода. Однако, возможно отсутствие как электропитания, так и давления. В этом случае единственно возможным источником энергии для поворота регулирующего органа является газогенератор 37.

При подаче входного сигнала на пиропатрон 38 последний инициирует горение топлива в газогенераторе 37, а переключатель 8 открывает доступ горячему газу в патрубок 11 или 12. Газ вытекает из ротора 17 через сопла 13, 16 или 14, 15 и создает пару реактивных сил, вращающих ротор 17 и через передачу 18 вал 1.

Можно отметить, что слаботочный источник электропитания для элементов 6, 7, переключателя 8 и пиропатрона 38 должен быть предварительно заряжен, например, в период функционирования силовой электросети.

Реализация данного привода возможна в различных вариантах, как допускающих одновременное воздействие нескольких исполнительных механизмов на вал 1, так и не допускающих этого и работающих лишь при поочередном воздействии одного из них на вал 1. Газогенератор может быть использован как резервный источник рабочей среды для цилиндра 1, но последний в этом случае требует очистки от продуктов сгорания, попадающих на поверхности трения поршней 24, 25, 19, 20 и воздействующих на уплотнения. Эти трудности отсутствуют в струйном двигателе, в котором рабочая среда не взаимодействует с поверхностями контакта движущихся частей.

В результате использования данного исполнения привода решается техническая задача расширения функциональных возможностей, повышения надежности и КПД.

Использование: в системах дистанционного управления. Сущность изобретения: в многоканальном приводе по меньшей мере один исполнительный механизм выполнен в виде поршневого цилиндра с полостями, подключенными к линиям подвода и сброса рабочей среды, а другой канал выполнен с исполнительным двигателем в виде струйного двигателя, при этом распределительное устройство выполнено в виде двух распределителей, каждый из которых имеет корпус с полостями подвода, отвода к потребителю и сброса рабочей среды и с камерой управления, а также жестко соединенные первый и второй запорные элементы, первый из которых поджат к неподвижному седлу, а второй размещен с возможностью взаимодействия с подвижным седлом. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоканальный резервированный привод, содержащий задающее устройство и по меньшей мере два силовых канала, имеющих кинематически связанные с общим выходным валом исполнительные механизмы, по меньшей мере один из которых выполнен в виде поршневого исполнительного цилиндра с полостями, подключенными с помощью распределительного устройства к линиям подвода и сброса рабочей среды, а также средства контроля срабатывания и подключения резервного канала, отличающийся тем, что по меньшей мере один из каналов выполнен с исполнительным механизмом в виде струйного двигателя, подключенного к указанной линии подвода или к автономному источнику рабочей среды, а упомянутый исполнительный цилиндр выполнен с симметричным сдвоенным поршнем и снабжен механизмом страгивания в виде двух встречно установленных по краям короткоходовых цилиндров с полостями, подключенными к указанному распределительному устройству. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из упомянутых исполнительных механизмов снабжен резервным источником рабочей среды в виде твердотопливного газогенератора. 3. Привод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один из силовых каналов выполнен с исполнительным механизмом в виде электродвигателя. 4. Привод по п.1, отличающийся тем, что распределительное устройство выполнено в виде двух распределителей, имеющих каждый четыре полости, одна из которых соединена с линией подвода, а другая с линией сброса, а две остальные совместно подключены к одной полости исполнительного и одной полости короткоходового цилиндров. 5. Привод по п.1, отличающийся тем, что выходной вал соединен с исполнительным цилиндром с помощью дополнительно установленного в последнем и соединенного с поршнем кулисного механизма. 6. Распределитель для подвода рабочей среды, содержащий корпус с полостями подвода, отвода к потребителю и сброса рабочей среды и с камерой управления, а также жестко соединенные первый и второй запорные элементы, первый из которых поджат пружиной к неподвижному нормальнозакрытому седлу, выполненному в корпусе для периодического соединения полостей подвода и отвода, а второй размещен с возможностью взаимодействия с выполненным для периодического разъединения полостей отвода и сброса подвижным седлом, размещенным на торце плавающего полого толкателя, соединенного с поршнем, установленным в камере управления с образованием поршневой полости, подключенной к элементу управления для сброса или подвода рабочей среды, и с возможностью перемещения поршня совместно с толкателем на величину хода, превышающую полный ход второго запорного элемента, отличающийся тем, что он выполнен с двумя изолированными в корпусе полостями отвода к потребителю, подвижное седло и второй запорный элемент размещены с возможностью перемещения между первой и второй полостями отвода, а второй запорный элемент для соединения с первым запорным элементов снабжен штоком, размещенным в первой полости отвода, при этом толкатель снабжен радиальным уплотнением, размещенным между второй полостью подвода и полостью сброса. 7. Распределитель по п.6, отличающийся тем, что первая полость отвода выполнена в виде цилиндрической расточки, а второй запорный элемент размещен на дополнительно выполненном пояске, отделяющем эту расточку от второй полости отвода. 8. Распределитель по пп. 6 и 7, отличающийся тем, что вторая полость отвода и полость сброса выполнены в виде цилиндрических расточек, разделенных пояском, выполненным с внутренним диаметром, равным диаметру толкателя. 9. Распределитель по пп. 6 8, отличающийся тем, что подвижное и неподвижное седла выполнены с соотношением внутренних диаметров, равным 1,2 - 1,4, а поршень выполнен с наружным диаметром, равным 1,6 2,0 внутренним диаметрам неподвижного седла.