НЕПОЛНОПОВОРОТНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 1998 года по МПК F15B15/12 F04C9/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления подачей рабочего тела, например, на нефте- и газопроводах, в исполнительных приводах летательных аппаратов, технологических машин и др.

Нередко при управлении подачей жидкостей и газов возникает задача быстрого открытия запорно-регулирующего органа (ЗРО), например заслонки или шарового крана, на станциях перекачки нефте- и газопроводов, затем высокоточного регулирования заданных параметров (давления или расхода) с существенно меньшими скоростями и быстрого закрытия ЗРО по окончании или при прерывании технологического процесса. При этом кратковременно развиваемая мощность при преодолении существенных нагрузок (в основном сил трения и гидродинамических сил в ЗРО) с большими скоростями в процессе открытия и закрытия ЗРО нередко более чем на порядок превышает длительно развиваемую мощность в процессе плавного регулирования параметров. Использование одного типа привода, например высокоточного цифрового или шагового электропривода, во всем диапазоне условий эксплуатации требует производить выбор приводного электродвигателя и редуктора по пиковым режимам работы. Тогда для основного длительного режима мощность, габариты и масса привода оказываются существенно завышенными. Кроме того, это приводит к завышенным габаритам и массе электронного блока, необходимого для коммутации больших токов в фазных обмотках электродвигателя, так как требует применения мощных силовых транзисторов, устанавливаемых для отвода выделяемой в тепло энергии на громоздких радиаторах, а возможно и применения принудительной вентиляции.

Решение указанной задачи при помощи только электрогидравлического привода по условию высокой точности позиционирования на основном режиме требует применения, например, многоразрядного цифрового привода с прецизионными разрядными электрогидравлическими усилителями мощности и сложным гидромеханическим суммирующим механизмом. Конструктивная сложность такого привода, а следовательно, и его стоимость существенно превысят сложность и стоимость электропривода на аналогичные условия работы. Использование же газа в качестве рабочего тела при наличии инерционной нагрузки вообще не представляется возможным из-за свойственных газовым приводам большого времени запаздывания, неплавности движения выходного звена силового механизма и значительных величин перерегулирования переходных процессов вследствие большой сжимаемости газа.

Одним из решений поставленной задачи является использование на пиковых режимах при открытии и закрытии ЗРО энергии газа или жидкости под давлением с подводом и отводом рабочего тела в полости силового механизма при помощи двухпозиционного распределителя, а на основном режиме плавного регулирования параметров - маломощного высокоточного электропривода, например, описанного в [1] . Комбинирование двух типов приводов повышает надежность системы, так как имеется два канала (дублирование) в случае необходимости аварийного закрытия ЗРО.

Известен силовой механизм-аналог, описанный в [2], представляющий собой неполноповоротный гидродвигатель, содержащий корпус, вал с лопастью, неподвижную перегородку и уплотнения. Такой силовой механизм имеет только гидравлический вход и не позволяет реализовать высокоточное позиционирование выходного вала.

В качестве силового механизма-прототипа выбран неполноповоротный гидравлический силовой механизм, содержащий ротор в виде выходного вала с лопастью, статор с ограничителями поворота ротора и каналами для подвода и отвода рабочего тела к рабочим полостям, уплотнительную перемычку [3].

Недостатком силового механизма-прототипа является одновременное выполнение статором силозамыкающей функции корпуса, что не позволяет использовать такой силовой механизм в комбинированной системе, например, совместно с высокоточным следящим электроприводом из-за невозможности осуществления кинематической развязки валов обоих типов приводов.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей силового механизма и повышение его надежности.

Технический результат достигается тем, что в известном неполноповоротном гидравлическом силовом механизме, содержащем ротор в виде выходного вала с лопастью, статор с ограничителями поворота ротора и каналами для подвода и отвода рабочего тела к рабочим полостям, уплотнительную перемычку, статор установлен в корпусе с возможностью поворота относительно корпуса, на внутренней поверхности корпуса выполнен паз с ограничителями поворота статора, при этом на наружной поверхности статора выполнен выступ, размещенный внутри паза корпуса, а ограничители поворота статора выполнены под углом, определяемым из соотношения
α = ϕ - γ + β,
где ϕ - угол между ограничителями поворота ротора;
γ - угол между поверхностями лопасти в плоскостях, проходящих через точки взаимодействия с ограничителями поворота ротора;
β - угол между поверхностями выступа статора в плоскостях, проходящих через точки взаимодействия с ограничителями поворота статора,
при этом на статоре выполнены элементы подключения устройства передачи вращательного момента.

На чертеже показан пример выполнения неполноповоротного гидравлического силового механизма. Цифрами обозначены:
1 - корпус;
2 - статор;
3 - выходной вал;
4 - паз в корпусе;
5, 6 - ограничители поворота статора;.

7 - выступ статора;
8 - лопасть;
9, 10 - ограничители поворота ротора;
11, 12 - рабочие полости;
13, 14 - каналы для подвода и отвода рабочего тела к рабочим полостям;
15 - уплотнительная перемычка;
16 - крышка;
17, 18, 19 - подшипники;
20 - уплотнение;
21 - входной вал статора.

Силовой механизм выполнен в виде моментного гидроцилиндра. Внутри корпуса 1 на подшипнике 18 установлен статор 2, имеющий входной вал 21, на котором могут быть выполнены элементы для подключения устройства передачи вращательного момента, например шлицы, шпонка, зубчатое колесо и т.д. В корпусе 1 выполнен паз 4 и ограничители поворота статора 5 и 6. Внутрь паза 4 введен выступ статора 7. Таким образом, статор 2 имеет возможность поворота на угол до θmax1

= α-β. Внутри статора 2 размещен ротор, выполненный в виде выходного вала 3 и лопасти 8. Выходной вал 3 опирается одним концом на подшипник 19, установленный в статоре, а другим концом на подшипник 17, установленный в крышке 16. Лопасть 8 разделяет полость, выполненную внутри статора, на две рабочие полости 11 и 12. Уплотнительная перемычка 15 предотвращает перетечку рабочего тела по зазорам между статором 2 и выходным валом 3. Для предотвращения утечки рабочего тела наружу предусмотрено уплотнение 20, установленное в крышке 16. Пример конструктивной реализации уплотнения лопасти 8 относительно статора 2 и крышки 16 представлен в [4]. В статоре 2 выполнены каналы 13 и 14 для подвода и отвода рабочего тела к рабочим полостям 11 и 12. Так как статор имеет возможность поворота, то подвод рабочего тела к каналам 13 и 14, например, от внешнего распределителя может быть выполнен при помощи гибких шлангов. Внутри полости статора выполнены ограничители поворота ротора 9 и 10. При этом полный угол поворота ротора составляет θ₂ = ϕ-γ. Из условия равенства полных углов поворота ротора θ₂ и статора θmax1, т.е. α-β = ϕ-γ следует, что ограничители поворота статора должны быть выполнены под углом α = ϕ-γ+β. Величина полных углов выбирается по конкретным условиям применения, но по конструктивным соображениям не может превышать 280^o [3] и может составлять, например, 200^o. Угловые размеры лопасти γ и выступа статора β выбираются по прочностным и конструктивным соображениям.

Рассмотрим работу неполноповоротного гидравлического силового механизма. Для определенности примем за исходное положение исполнительных элементов силового механизма положение, показанное на фиг.1: выступ 7 статора 2 через входной вал 21 прижат, например, при помощи электропривода к ограничителю поворота статора 6, а лопасть 8 прижата к ограничителю поворота ротора 10 вследствие подключения рабочей полости 11 через канал 13 к магистрали высокого давления рабочего тела, например, через внешний распределитель и рабочей полости 12 через канал 14 к магистрали низкого давления рабочего тела.

При отключении рабочей полости 12 от магистрали низкого давления и подключении ее к магистрали высокого давления рабочего тела и одновременном отключении рабочей полости 11 от магистрали высокого давления и подключении ее к магистрали низкого давления на лопасти 8 формируется перепад давления, обуславливающий вращение ротора относительно статора по направлению от ограничителя поворота ротора 10 к ограничителю поворота ротора 9. Так как выступ статора прижат к ограничителю поворота статора 6, то происходит вращение выходного вала 3 силового механизма относительно корпуса 1 на полный угол θ₂ = ϕ-γ. При этом происходит, например, полное открытие ЗРО объекта управления. Сформированный и удерживаемый перепад давления между рабочими полостями 12 и 11 обеспечивает постоянное поджатие лопасти 8 к ограничителю поворота ротора 9. При этом передаваемые затем движения, например, от высокоточного электропривода через входной вал 21 на статор 2 приводят к совместному вращению статора и ротора (выходного вала 3) относительно корпуса 1 на углы θ₁, задаваемые электроприводом в процессе высокоточного регулирования положения ЗРО объекта управления, вплоть до полного его закрытия при достижении угла θ₁ = θmax1

= α-β, так как θmax1 = θ₂. Полное закрытие ЗРО путем приведения выходного вала в исходное положение возможно также из любого текущего положения изменением направления действия (знака) перепада давления на лопасти 8 путем отключения рабочей полости 11 через канал 13 от магистрали низкого давления рабочего тела и подключения ее к магистрали высокого давления и одновременном отключении рабочей полости 12 через канал 14 от магистрали высокого давления и подключения ее к магистрали низкого давления. Сформированный на лопасти 8 перепад давления вызовет вращение выходного вала относительно удерживаемого электроприводом статора 2, а следовательно, и относительно корпуса 1 по направлению от ограничителя поворота ротора 9 к ограничителю поворота ротора 10. При повороте выходного вала от ограничителя поворота ротора 9 на угол, равный разности между полным углом поворота статора θmax1 и текущим значением угла поворота статора θ₁, произойдет полное закрытие ЗРО объекта управления, а выходной вал силового механизма займет свое исходное положение, то есть угол поворота выходного вала относительно корпуса силового механизма будет равен нулю.

Скорость вращения выходного вала силового механизма при работе от электропривода определяется механической характеристикой приводного электродвигателя, а скорость вращения выходного вала при переключении направления действия перепада давления в рабочих полостях определяется размерами дросселирующих отверстий во внешнем распределителе и может быть существенно большей, чем скорость от электропривода. Таким образом, может быть реализовано быстрое открытие и закрытие ЗРО объекта управления и плавное высокоточное регулирование его параметров на основном длительном режиме. При этом мощность, развиваемая электроприводом, может быть существенно меньше мощности, требуемой для реализации режимов открытия и закрытия ЗРО. Так как при помощи изменения перепада давления на лопасти происходит не следящее движение, а вращение от упора до упора, то в качестве рабочего тела может быть использована как жидкость, так и газ, что существенно расширяет эксплуатационные возможности заявляемого силового механизма.

Литература
1. Белицкий Д. С., Жарков М.Н., Стоялов В.В. и др. Электромеханический привод в системе управления режимами жидкостных ракетных двигателей// Известия академии наук. Теория и системы управления, 1996, N 1, с. 118-124.

2. Свешников В. К., Усов А.А. Станочные гидроприводы. Справочник. -М.: Машиностроение, 1982.

3. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. -М.: Машиностроение, 1972.

4. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов/Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982.

Неполноповоротный гидравлический силовой механизм относится к области машиностроения и может быть использован в системах управления подачей рабочего тела, например, на нефте- и газопроводах, в исполнительных приводах летательных аппаратов, технологических машин и др. Силовой механизм содержит ротор, статор, уплотнительную перемычку. Ротор выполнен в виде выходного вала с лопастью. Статор выполнен с ограничителями поворота ротора и каналами для подвода и отвода рабочего тела к рабочим полостям. Статор установлен в корпусе с возможностью поворота относительно корпуса. На внутренней поверхности корпуса выполнен паз с ограничителями поворота статора. На наружной поверхности статора выполнен выступ, размещенный внутри паза корпуса. Ограничители поворота статора выполнены под углом, определяемым из соотношения: α = ϕ -γ + β, где ϕ - угол между ограничителями поворота ротора; γ - угол между поверхностями лопасти в плоскостях, проходящих через точки взаимодействия с ограничителями поворота ротора; β - угол между поверхностями выступа статора в плоскостях, проходящих через точки взаимодействия с ограничителями поворота статора. На статоре выполнены элементы подключения устройства передачи вращательного момента. Изобретение позволяет повысить надежность и расширить функциональные возможности механизма. 1 ил.

Неполноповоротный гидравлический силовой механизм, содержащий ротор в виде выходного вала с лопастью, статор с ограничителями поворота ротора и каналами для подвода и отвода рабочего тела к рабочим полостям, уплотнительную перемычку, отличающийся тем, что в нем статор установлен в корпусе с возможностью поворота относительно корпуса, на внутренней поверхности корпуса выполнен паз с ограничителями поворота статора, при этом на наружной поверхности статора выполнен выступ, размещенный внутри паза корпуса, а ограничители поворота статора выполнены под углом, определяемым из соотношения
α = ϕ-γ+β,
где ϕ - угол между ограничителями поворота ротора;
γ - угол между поверхностями лопасти в плоскостях, проходящих через точки взаимодействия с ограничителями поворота ротора;
β - угол между поверхностями выступа статора в плоскостях, проходящих через точки взаимодействия с ограничителями поворота статора,
при этом на статоре выполнены элементы подключения устройства передачи вращательного момента.