ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД, СТРУЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК F15B9/03 

Изобретение относится к области пневмомашиностроения, в частности к механизмам, предназначенным для осуществления перестановки следящего и программного управления регулирующих органов запорной и регулирующей арматуры газонефтепродуктопроводов при дистанционном и местном управлении.

Известен пневмогидравлический привод с поршневым двигателем, содержащим пневмоцилиндры, поршни, поворотный механизм, конечные выключатели ([1] , стр. 346).

Техническими недостатками этого привода являются: наличие подвижных трущихся уплотнений, снижающее надежность и ресурс привода; большой объем полостей, заполняемых сжатым газом, приводящий к наличию ударных воздействий на объект управлений, возможность произвольного перемещения выходного вала привода под действием внешней нагрузки.

Известен пневмогидравлический привод с поршневым двигателем, содержащий пневмогидроцилиндр, поршни, кулисный поворотный механизм, конечные выключатели ([1] , стр. 348).

Техническими недостатками этого привода являются: наличие второго рабочего тела - масла или специальной жидкости, что усложняет и удорожает эксплуатацию привода; наличие подвижных трущихся уплотнений; возможность произвольного перемещения под действием внешней нагрузки.

Известен пневматический привод со струйным двигателем, содержащий электропневматическое управляющее устройство, пневматический струйный двигатель, редуктор, ручной дублер, поворотный механизм, устройство ограничения максимальной величины передаваемого момента.

Поворотный механизм содержит кулисно-винтовую передачу, включающую в себя кулису с пазами, жестко закрепленную на выходном валу привода, установленный в корпусе ходовой винт, подвижно соединенную с винтом ходовую гайку, установленную в поводке, при этом поводок имеет с двух сторон две соосные цапфы с размещенными на них ползунами, по два на каждой цапфе.

Корпус поворотного механизма при этом выполнен из двух частей, собственно корпуса н крышки, при этом в каждой из этих частей выполнен направляющий паз, причем пазы параллельны друг другу, при этом крайние ползуны поводка входят подвижно, соответственно, в один и другой пазы, а средние ползуны, соответственно, в один и другой паз кулисы ([1] , фиг. 8).

Техническими недостатками данной конструкции является ее сложность, большие габариты, обусловленные наличием двух направляющих пазов в разных деталях корпуса, четырех ползунов, большими длинами цапф.

Техническими недостатками данной конструкции является также наличие устройства ограничения максимальной величины передаваемого момента, что существенно усложняет конструкцию привода, снижает его надежность и усложняет эксплуатацию.

Известен струйный двигатель, содержащий корпус, подводящие патрубки, ротор с валом, имеющим зубчатый венец и осевые каналы, связанные с входными патрубками и, с помощью радиальных каналов, расположенных в плечах ротора, связанные с соответствующими соплами, размещенными на противоположных плечах ротора ([2] , фиг. 4).

Техническими недостатками данного двигателя являются сложность выполнения конструкции и балансировки ротора двигателя.

Известно электропневматическое управляющее устройство, содержащее взрывозащищенную камеру, электромагниты, пневмораспределители, связанные толкателями с электромагнитами, конечные выключатели, связанные с входным валиком [2] .

Техническими недостатками данного устройства являются: сложность конструкции, большая величина зоны нечувствительности конечных выключателей при их размыкании, обусловленная большой величиной гистерезиса герконов.

Технической задачей изобретения является создание пневматического привода для запорно-регулирующей арматуры газонефтепродуктопроводов, имеющего упрощенную конструкцию, обладающего повышенной надежностью, ресурсом и экономичностью, способного работать в расширенном диапазоне давления газа в трубопроводе от 1,0 до 16 МПа, обладающего расширенным диапазоном регулирования движущего момента и мощности, возможностью регулирования времени поворота, выходного вала привода из одного положения в другое, повышенной точностью работы конечных выключателей и улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Эта техническая задача решается за счет того, что корпус поворотного механизма выполнен в виде центрального тела с двумя крышками, при этом в корпусе выполнен сквозной направляющий паз прямоугольного сечения, в котором размещен поводок с ходовой гайкой, соединенной резьбой с ходовым винтом, соединенным с устройством поглощения кинетической энергии подвижных частей привода, при этом привод снабжен устройством стопорения привода.

Эта техническая задача выполняется также за счет того, что струйный двигатель выполнен со сменными блоками сопел, электропневматическое управляющее устройство выполнено в одном блоке, при этом входной валик устройства проходит через корпус и крышку взрывозащитной камеры, а подвижные постоянные магниты соединены с входным валиком через ускоряющую механическую передачу и расположены снаружи взрывозащитной камеры, при этом электропневматические управляющее устройство снабжено регуляторами расхода газа, входы которых соединены соответственно с выходами пневмораспределителей, а выходы - с входными патрубками струйного двигателя, причем в пневмораспределителе выполнен отдельный канал, вход которого соединен с источником сжатого газа, а выход - со входом сервоклапана пневмораспределителя.

Сущность изобретения заключается также в том, что в пневматическом приводе, содержащем последовательно соединенные электропневматическое управляющее устройство, включающее в себя электромагниты, пневмораспределители, соединенные с источником рабочей среды под давлением, реверсивный струйный двигатель, вал которого связан через механический редуктор с кулисно-винтовым поворотным механизмом и выходным валом привода, ручной дублер, конечные выключатели, корпус поворотного механизма выполнен в виде центрального тела с двумя крышками, при этом в корпусе выполнен сквозной направляющий паз прямоугольного сечения, в котором размещен поводок с ходовой гайкой, соединенной резьбой с ходовым винтом, причем поводок имеет с двух сторон укороченные цапфы с одним ползуном на каждой, которые размещаются подвижно, соответственно, в пазах кулисы.

Сущность изобретения заключается также в том, что поворотный кулисно-винтовой механизм привода снабжен устройством поглощения кинетической энергии подвижных частей привода, выполненным в виде пакета тарельчатых пружин и соединенным с ходовым винтом, имеющим возможность осевого перемещения.

Сущность изобретения заключается также в том, что привод снабжен устройством стопорения привода, содержащим пневмоцилиндр, размещенный в цилиндре, подпружиненный поршень со штоком, подвижно соединенным с одной из шестерен редуктора, в которой выполнены углубления, а пневмоцилиндр связан пневмомагистралями с выходами пневмораспределителей.

Сущность изобретения заключается также в том, что в струйном двигателе, содержащем корпус, ротор, установленный на валу, имеющий сопла, связанные радиальными и осевыми каналами с подводящими патрубками, на концах плеч ротора выполнены сквозные отверстия, перпендикулярные оси вращения ротора и его продольной оси симметрии, в которых установлены блоки сопел, выполненные в виде цилиндров и внутренними отверстиями в виде сопла Лаваля, направленными в противоположные стороны, и разделенные между собой глухой перемычкой, при этом входная часть каждого сопла имеет боковой канал, соединенный с соответствующим каналом плеча ротора.

Сущность изобретения заключается также в том, что в другом варианте в струйном двигателе, содержащем корпус, ротор, установленный на валу, имеющий сопла, связанные радиальными и осевыми каналами с подводящими патрубками, ротор выполнен в виде центральной втулки, жестко соединенной с двумя плечами, сопла которых направлены в одну и ту же сторону, причем каждое сопло соединено соответственно с одним из подводящих патрубков.

Сущность изобретения заключается также в том, что электропневматическое управляющее устройство, содержащее электромагниты, конечные выключатели, пневмораспределители, входы которых соединены с источником рабочей среды под давлением, а выходы - с входными патрубками струйного двигателя, выполнено в одном блоке, причем входной валик устройства проходит через корпус и крышку взрывозащитной камеры, а подвижные постоянные магниты соединены с входным валиком через ускоряющую механическую передачу и расположены снаружи взрывозащитной камеры.

Сущность изобретения заключается также в том, что электропневматическое устройство снабжено регуляторами расхода газа, входы которых соединены соответственно с выходами пневмораспределителей, а выходы - с входными патрубками струйного двигателя.

Сущность изобретения заключается также в том, что в пневмораспределителе выполнен отдельный канал, вход которого соединен с источником сжатого газа, а выход - со входом сервоклапана пневмораспределителя.

Причинно-следственная связь между достигаемым научно-техническим результатом и совокупностью признаков
Повышение надежности и ресурса и упрощение конструкции привода достигается:
1. За счет того, что корпус поворотного механизма выполнен в виде центрального тела с двумя крышками, при этом в корпусе выполнен сквозной направляющий паз прямоугольного сечения, в котором размещен поводок с ходовой гайкой, соединенной резьбой с ходовым винтом, причем поводок имеет с двух сторон укороченные цапфы с одним ползуном на каждой, которые размещаются подвижно, соответственно, в пазах кулисы (п. 1 формулы изобретения).

2. За счет того, что ходовой винт поворотного механизма соединен с устройством поглощения кинетической энергии подвижных частей привода, выполненным в виде пакета тарельчатых пружин и соединенным с ходовым винтом, имеющим возможность осевого перемещения.

Это позволяет обеспечить условия, при которых при любом режиме работы привода максимально возможный момент на выходном валу привода не превысит расчетной допустимой величины.

3. За счет того, что на концах плеч ротора выполнены сквозные отверстия, перпендикулярные оси вращения ротора и его продольной оси симметрии, в которых установлены блоки сопел, выполненные в виде цилиндров и внутренними отверстиями в виде сопла Лаваля, направленными в противоположные стороны, и разделенные между собой глухой перемычкой, при этом входная часть каждого сопла имеет боковой канал, соединенный с соответствующим каналом плеча ротора.

4. За счет выполнения в пневмораспределителе отдельного канала, вход которого соединен с источником рабочей среды под давлением, а выход - со входом сервоклалана пневмораспределителя.

Расширение рабочего диапазона давлений рабочей среды и диапазона регулирования величины движущего момента и мощности привода достигается за счет снабжения привода (электропневматического управляющего устройства) устройствами регулирования расхода газа.

Повышение экономичности привода достигается за счет снабжения привода регуляторами расхода газа, а также устройством стопорения привода; последнее позволяет использовать в приводе несамотормозящуюся винтовую передачу с высоким КПД и уменьшить требуемый расход газа при перестановке регулирующего органа арматуры на (15-40)%.

Улучшение эксплуатационных характеристик привода достигается за счет исключения второго рабочего тела и облегчения процесса регулирования концевых выключателей.

Повышение точности работы концевых выключателей достигается за счет того, что подвижные постоянные магниты соединены с входным валиком через ускоряющую механическую передачу и расположены снаружи взрывозащитной камеры.

На фиг. 1 изображена схема пневматического привода.

На фиг. 2 изображен общий вид пневматического привода.

На фиг. 3 изображена другая проекция пневматического привода.

На фиг. 4 изображен вид сверху кулисно-винтового поворотного механизма привода со снятой крышкой.

На фиг. 5 приведено сечение по АА поворотного механизма фиг. 2.

На фиг. 6 приведено сечение по ВВ поворотного механизма фиг. 3.

На фиг. 7 приведена схема ротора струйного двигателя с четырьмя соплами и сменными блоками сопел.

На фиг. 8 представлена другая проекция ротора с четырьмя соплами.

На фиг. 9 приведена схема ротора струйного двигателя, выполненного в виде центральной втулки, соединенной с двумя плечами и с соплами, направленными в одну сторону.

На фиг. 10 представлена другая проекция ротора с двумя плечами.

На фиг. 11 представлен вид рычажной передачи электропневматического управляющего устройства со снятой внешней крышкой.

На фиг. 12 представлен вид по стр. A фиг. 8.

На фиг. 13 представлен вид пневмораспределителя.

На фиг. 14 представлена схема устройства стопорения привода.

Пневматический привод содержит последовательно соединенные электропневматическое управляющее устройство 1, включающее в себя электромагниты 2, 3, пневмораспределители 4, 5, входы которых соединены с источником рабочей среды под давлением (не обозначен), а выходы соединены с каналами со входами регуляторов расхода газа 6, 7, выходы которых связаны с входными патрубками 8, 9 струйного двигателя 10, ротор 11 которого (фиг. 7, 8) содержит осевые каналы 13, 14, связанные наклонными и радиальными каналами с соплами 15, 16, 17, 18, а вал ротора 19 с помощью зубчатого венца 20 связан с редуктором 21, который содержит ручной дублер 22 с механизмом 23 автоматического отключения штурвала 24. Шестерня 26 редуктора установлена с возможностью поворота на ограниченный угол на валу, связанном с ходовым винтом 27 кулисно-винтового поворотного механизма 28, при этом конец ходового винта связан с устройством 29 поглощения кинетической энергии подвижных частей привода, выполненного в виде пакета тарельчатых пружин 30 и установленных на конце ходового винти с возможностью их регулируемого предварительного поджатия.

Поворотный механизм содержит также поводок 31 с ходовой гайкой 32 (фиг. 3, 4, 5), содержащий две цапфы 33, 34, которые с помощью ползунов 35, 36 размещены в пазах кулисы 37, соединенной жестко с выходным валом привода 38 и далее - с объектом управления 39.

Выходной вал привода соединен с входным валиком 41 пневмораспределительного устройства 1 (фиг. 11, 12), проходящим через крышку 42 взрывозащищенной камеры 43, в которой размещены герконы 44, 45. С валиком 41 соединен двойной рычаг 46 с регулировочными винтами 47, 48, а на оси 49, жестко установленной в корпусе, подвижно установлены подпружиненные рычаги 50, 51 с установленными на них постоянными магнитами 52, 53.

Ротор струйного двигателя 11 содержит блоки сопел 55, 56 (фиг. 7, 8) с выполненными в них соплами 15, 16, 17, 18, установленными в плечах ротора.

В другом варианте ротор струйного двигателя содержит центральную втулку 57 и соединенные с ней плечи 58, 59 с соплами, направленными в одну и ту же сторону.

Пневмораспределитель (фиг. 13) содержит корпус 61, сервоклапан 62, поршень 63, клапан 64, фильтр 65, рычаг 66, входной канал 67, выходной канал 68, входной канал серваклалана 69.

На фиг. 1 и 13 обозначено также входное давление Р_вх., выходное давление P_вых.и входное давление P_вx.1 в подводящем канале сервоклапана.

Пневмомеханическое устройство стопорения привода содержит пневмоцилиндр 71, поршень 72 со штоком 73, подпружиненным пружиной 74, и связанный с рукояткой 75. Шток 73 своим корпусным концом входит в углубление 76, выполненное на одной из подвижных частей, например шестерне 77, связанной через шестерню 78 с валом струйного двигателя.

Пневматический привод, струйный двигатель и электропневматическое управляющее устройство работают совместно следующим образом.

Работа привода
При поступлении на электропневматическое управляющее устройство 1 управляющего электрического сигнала на поворот выходного вала привода 28, например, на электромагнит 2, последний срабатывает и своим толкателем поворачивает рычаг 66, что приводит к срабатыванию сервоклапана 62, перемещению поршня 63 и клапана 64 и открытию прохода газа из входного канала 67 с давлением Р_вх. в выходной канал 68 и далее во входной патрубок 9 струйного двигателя 10 и далее по осевому каналу 19 газ поступает к паре сопел, например 15, 16 и, вытекая из них, создает реактивную силу и движущий момент на валу ротора.

В одном варианте (фиг. 10) газ через осевой канал во втулке 57 и канал в одном из плеч ротора, например 58, вытекает из одного сопла и создает движущий момент на валу ротора.

Движущий момент ротора передается через зубчатый венец 20 и далее через редуктор на шестерню 26 и на выходной вал привода и далее через шлицевую передачу - на ходовой винт 27.

При вращении ходового винта 27 закрепленная на нем на резьбе ходовая гайка 32 с поводком 31 перемещается вдоль от ходового винта и поворачивает кулису 37 и с ней выходной вал привода 38 и далее регулирующий орган объекта управления 39, одновременно поворачивая связанный с выходным валом 38 входной валик 41 электропневматического управляющего устройства 1 и закрепленный на валике двойной рычаг 46 с регулирующими винтами 47, 48, который при подходе к крайнему положению нажимает на короткий конец одного из рычагов (в зависимости от направления движения), например 51, при этом рычаг 51 поворачивается и перемещает закрепленный на нем постоянный магнит 53 в сторону геркона 44, в результате чего геркон 44 размыкается и размыкает цепь электромагнита 2; при этом пневмораспределитель 4 срабатывает и перекрывает доступ питающего газа в струйный двигатель; однако за счет накопленной во время движения кинетической энергии ротор 11 струйного двигателя 10 и другие подвижные части привода продолжают движение. При посадке кулисы 37 на механический концевой упор (не обозначен) кулиса 37, выходной вал 38, поводок 31, ходовая гайка 32 останавливаются, а ходовой винт 27 продолжает вращаться и ввинчиваться в гайку 32, перемещаясь вдоль своей оси, например вправо, и через подшипник сжимает пружины 30, которые при этом поглощают кинетическую энергию подвижных частей привода.

Для поворота выходного вала 38 привода в обратную сторону управляющее напряжение подается на электромагнит 3, который открывает пневмораспределитель 5, при этом рабочая среда от источника поступает в регулятор газа 7 и далее во входной патрубок 8 струйного двигателя 10, при этом ротор 11 вращается в противоположную сторону; при достижении валом 38 нового крайнего положения размыкаются контакты соответствующего геркона, подача рабочей среды в двигатель прекращается и привод останавливается.

При наличии в приводе устройства стопорения привода одновременно с поступлением в струйный двигатель 10 рабочая среда поступает в пневмоцилиндр 71 устройства стопорения и выводит шток 73 из углубления 75 на одной из подвижных частей редуктора, давая ротору струйного двигателя возможность вращения.

Теоретические расчеты и большой объем экспериментальных исследований и испытаний нескольких типоразмеров и модификаций приводов, проведенных на экспериментальных полигонах и в условиях подконтрольной эксплуатации в различных регионах России в течение 1987-2000 гг. подтверждают правомочность и эффективность предлагаемых схемных конструктивных и параметрических решений.

Источники информации
1. А. Ф. Гуревич, О. Н. Заринский, Ю. К. Кузьмин. Справочник по арматуре для газо- и нефтепроводов. Л. : Недра, 1988 г.

2. Патент на изобретение 2131065 "Пневматический привод Саяпина и электропневматическое управляющее устройство".

Привод предназначен для дистанционного и местного управления запорно-регулирующeй арматурой газонефтепродуктопроводов. Привод содержит последовательно соединенные электропневматическое управляющее устройство, включающее в себя электромагниты, пневмораспределители, соединенные с источником рабочей среды под давлением, реверсивный струйный двигатель, вал которого связан через механический редуктор с кулисно-винтовым поворотным механизмом и выходным валом привода, ручной дублер, конечные выключатели, при этом корпус поворотного механизма выполнен в виде центрального тела с двумя крышками, при этом в корпусе выполнен сквозной направляющий паз прямоугольного сечения, в котором размещен поводок с ходовой гайкой, соединенной резьбой с ходовым винтом, соединенным с устройством поглощения кинетической энергии подвижных частей привода, при этом привод снабжен устройством стопорения привода, при этом струйный двигатель выполнен со сменными блоками сопел или в виде центральной втулки с двумя плечами, сопла которых направлены в одну и ту же сторону. Электропневматическое управляющее устройство, содержащее электромагниты, конечные выключатели, пневмораспределители, выполнено в одном блоке, при этом входной валик устройства проходит через корпус и крышку взрывозащитной камеры, а подвижные постоянные магниты соединены с входным валиком через ускоряющую механическую передачу и расположены снаружи взрывозащитной камеры, при этом электропневматическое управляющее устройство снабжено регуляторами расхода газа, входы которых соединены соответственно с выходами пневмораспределителей, а выходы - с входными патрубками струйного двигателя, причем в пневмораспределителе выполнен отдельный канал, вход которого соединен с источником сжатого газа, а выход - со входом сервоклапана пневмораспределителя. Технический результат - повышение надежности. 4 с. и 4 з. п. ф-лы, 14 ил.

1. Пневматический привод, содержащий последовательно соединенные электропневматическое управляющее устройство, включающее в себя электромагниты, пневмораспределители, соединенные с источником рабочей среды под давлением, реверсивный струйный двигатель, вал которого связан через механический редуктор с кулисно-винтовым поворотным механизмом и выходным валом привода, ручной дублер, конечные выключатели, отличающийся тем, что корпус поворотного механизма выполнен в виде центрального тела с двумя крышками, при этом в корпусе выполнен сквозной направляющий паз прямоугольного сечения, в котором размещен поводок с ходовой гайкой, соединенной резьбой с ходовым винтом, соединенной резьбой с ходовым винтом, причем поводок имеет с двух сторон укороченные цапфы с одним ползуном на каждой, которые размещаются подвижно, соответственно, в пазах кулисы. 2. Пневматический привод по п. 1, отличающийся тем, что ходовой винт поворотного кулисно-винтового механизма соединен с устройством поглощения кинетической энергии подвижных частей привода, выполненным в виде пакета тарельчатых пружин и соединенным с ходовым винтом, имеющим возможность осевого перемещения. 3. Пневматический привод по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен устройством стопорения привода, содержащим пневмоцилиндр, размещенный в цилиндре, подпружиненный поршень со штоком, подвижно соединенным с одной из шестерен редуктора, в которой выполнены углубления, пневмоцилиндр связан пневмомагистралями с выходами пневмораспределителей. 4. Струйный двигатель, содержащий корпус, ротор, установленный на валу, имеющий сопла, связанные радиальными и осевыми каналами с подводящими патрубками, отличающийся тем, что на концах плеч ротора выполнены сквозные отверстия, перпендикулярные оси вращения ротора и его продольной оси симметрии, в которых установлены блоки сопел, выполненные в виде цилиндров и внутренними отверстиями в виде сопла Лаваля, направленными в противоположные стороны, и разделенные между собой глухой перемычкой, при этом входная часть каждого сопла имеет боковой канал, соединенный с соответствующим каналом плеча ротора. 5. Струйный двигатель, содержащий корпус, ротор, установленный на валу, имеющий сопла, связанные радиальными и осевыми каналами с подводящими патрубками, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде центральной втулки, жестко соединенной с двумя плечами, сопла которых направлены в одну и ту же сторону, причем каждое сопло соединено соответственно с одним из подводящих патрубков. 6. Электропневматическое управляющее устройство, содержащее электромагниты, конечные выключатели, пневмораспределители, входы которых соединены с источником рабочей среды под давлением, а выходы - с входными патрубками струйного двигателя, отличающееся тем, что входной валик устройства проходит через корпус и крышку взрывозащитной камеры, а подвижные постоянные магниты соединены с входным валиком через ускоряющую механическую передачу и расположены снаружи взрывозащитной камеры. 7. Электропневматическое управляющее устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно снабжено регуляторами расхода газа, входы которых соединены соответственно с выходами пневмораспределителей, а выходы с входными патрубками струйного двигателя. 8. Электропневматическое управляющее устройство по п. 6, отличающееся тем, что в пневмораспределителе выполнен отдельный канал, вход которого соединен с источником сжатого газа, а выход - со входом сервоклапана пневмораспределителя.