Привод трубопроводной запорной арматуры Российский патент 2004 года по МПК F16K31/00 

Изобретение относится к управляющим приводным устройствам для трубопроводной запорной арматуры и может быть использовано в трубопроводном транспорте нефти, газа и других продуктов.

Известен привод [1], включающий электродвигатель, передаточный механизм в виде редуктора, который содержит кинематически соединенные между собой зубчатую и червячную передачи.

Известен привод [2], включающий двигатель вращения, передаточный механизм в виде редуктора.

Недостатками приводов [1], [2] являются низкий кпд передаточных механизмов вследствие трения между деталями, их большие размеры, сложность конструкции механизма, преобразующего вращательное движение в поступательное.

Известен привод [3], принятый за прототип, включающий электродвигатель, опорный корпус, передаточный механизм, содержащий промежуточные тела качения.

Недостатками устройства [3] являются сложность конструкции, ее большие размеры и вес, трудоемкость в изготовлении, необходимость дополнительно к механизму поступательного перемещения иметь редуктор.

Задачей заявляемого изобретения является расширение арсенала технических средств, предназначенных для приведения в действие трубопроводной запорной арматуры путем создания привода с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, в частности с высоким кпд передаточного механизма, малыми габаритами и массой, удобного и безопасного в использовании и техническом обслуживании, менее трудоемкого в изготовлении.

Данная задача решается за счет усовершенствования передаточного механизма, основанного на принципе качения в резьбовой паре, и других элементов привода.

Как и прототип, привод включает двигатель вращения с передаточным механизмом.

В отличие от прототипа передаточный механизм содержит вал, на котором несоосно установлен по меньшей мере один свободно вращающийся на валу резьбовой винт в паре с гайкой, соосной с валом, резьба которой диаметром больше диаметра резьбы винта на величину удвоенного эксцентриситета между осью винта и вала, а шагом равна шагу винта.

Привод может содержать ползун, расположенный внутри гайки, планетарную передачу, включающую зубчатое колесо (сателлит), жестко и соосно соединенное с резьбовым винтом (водилом), и центральное зубчатое колесо, жестко соединенное с ползуном и соосное с валом.

Привод может также содержать механизм ручного вращения вала установленную на валу муфту, включающую две полумуфты с кулачковыми сопрягаемыми торцевыми поверхностями, при этом одна из полумуфт выполнена жестко установленной на валу, а другая - с охватывающими ее наружными зубьями и с возможностью осевого перемещения, зубчатую передачу между механизмом ручного вращения вала и полумуфтой с наружными зубьями, ограничитель осевого перемещения полумуфты с наружными зубьями, предотвращающий выход ее кулачка из зацепления с кулачком другой полумуфты.

По длине корпуса привода может быть расположен по меньшей мере один сквозной канал, имеющий отверстие во внутреннюю полость корпуса у его основания и отверстие над движущимися элементами передаточного механизма.

Устройство изображено на фиг.1 и 2. На фиг.1 обозначены: 1 - двигатель вращения, 2 - вал передаточного механизма, 3 - резьбовой винт, 4 - гайка, 5 - ползун, 6 - зубчатое колесо (сателлит) планетарной передачи, 7 - центральное зубчатое колесо планетарной передачи, 8 - механизм ручного вращения вала, 9 - полумуфта, жестко установленная на валу 2, 10 - полумуфта с охватывающими ее наружными зубьями и возможностью осевого перемещения, 11 - зубчатая передача между механизмом 8 ручного вращения вала и полумуфтой 10 с наружными зубьями, 12 - ограничитель осевого перемещения полумуфты 10 с наружными зубьями, предотвращающий ее выход из зацепления с полумуфтой 9, 13 - корпус, 14 - канал по длине корпуса 13, 15 - выход канала 14 у основания корпуса 13, 16 - выход канала 14 над движущимися элементами передаточного механизма.

На фиг.2 изображена развертка винтовых линий резьб винта 3 и гайки 4 и обозначены: l₁ - окружная длина развернутой винтовой линии резьбы винта 3, l₂ - окружная длина развернутой винтовой линии резьбы гайки 4, S - величина шага резьбы, одинаковая для винта 3 и гайки 4, β₁ - угол при вершине профиля резьбы винта 3, β₂ - угол при вершине профиля резьбы гайки 4, d - диаметр резьбы винта 3, D - диаметр резьбы гайки 4, Δ - участок разности окружных длин и винтовых линий резьб винта 3 и гайки 4 соответственно, X - величина осевого перемещения винта 3 за один его оборот по гайке 4.

Устройство (фиг.1) содержит двигатель вращения 1 с передаточным механизмом, содержащим вал 2, резьбовой винт 3, гайку 4.

Резьбовой винт 3 установлен на валу 2 несоосно и свободно вращающимся, например, на подшипнике. На резьбовом винте 3 расположена гайка 4, cооcная с валом 2. При этом диаметр резьбы гайки 4 больше диаметра резьбы винта 3 на величину удвоенного эксцентриситета между осью винта 3 и вала 2, а шаги их резьб равны.

Привод может содержать ползун 5, расположенный внутри гайки 4, планетарную передачу, включающую зубчатое колесо (сателлит) 6, жестко и соосно соединенное с резьбовым винтом 3, являющимся, таким образом, водилом, и центральное зубчатое колесо 7, жестко соединенное с ползуном 5 и соосное с валом 2.

Привод может содержать механизм ручного вращения вала 2, необходимый при остановке двигателя, например поломке, прекращении подачи энергии и т.п. Для его соединения с валом 2 передаточного механизма на валу 2 установлена муфта, включающая две полумуфты с кулачковыми сопрягаемыми торцевыми поверхностями. Одна из полумуфт 9 выполнена жестко установленной на валу 2 передаточного механизма. Другая же полумуфта 10 выполнена с охватывающими ее наружными зубьями и с возможностью осевого перемещения. Между механизмом 8 ручного вращения и полумуфтой 10 с наружными зубьями находится зубчатая передача 11. Так как полумуфта 10 выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении, то это позволяет обеспечить при включении двигателя ее выход из зубчатого зацепления с механизмом 8 ручного вращения вала 2.

Для того чтобы при своем осевом перемещении полумуфта 10 не вышла из зацепления с полумуфтой 9, устройство содержит ограничитель 12 ее осевого перемещения.

Помимо этого привод может содержать корпус 13. По длине корпуса 13 расположен по меньшей мере один сквозной канал 14. Канал 14 может находится, например, в стенке корпуса 13 или в зазоре между гайкой 4 и корпусом 13, или где-либо еще по длине корпуса 13. Канал 14 имеет выход 15 во внутреннюю полость корпуса 13 и выход 16 над движущимися элементами передаточного механизма.

Устройство работает следующим образом.

Включают двигатель вращения 1, который сообщает движение валу 2 передаточного механизма. Резьбовой винт 3 (или несколько резьбовых винтов 3) вместе с валом 2, на котором он установлен на подшипнике с возможностью свободного вращения и несоосно, приходит во вращение и передвигается по резьбе гайки 4, соосной с валом 2. Так как диаметр D (фиг.2) резьбы гайки 4 больше диаметра d резьбы винта 3 на величину удвоенного эксцентриситета между осью винта 3 и вала 2, а шаг 5 резьбы гайки 4 равен шагу резьбы S винта 3, то угол β₁ при вершине профиля резьбы винта 3 больше угла β₂ при вершине профиля резьбы гайки 4, а окружная длина l₁ винтовой линии резьбы винта 3 меньше окружной длины l₂ винтовой линии резьбы гайки 4 (l₁ и и l₂ на фиг.2 показаны в развертке).

При вращении винта 3 за один его оборот он перемещается в осевом направлении не на величину шага, как в традиционной передаче винт-гайка, а на многократно меньшую величину X, обеспечивающую высокую точность подхода седла клапана арматуры, которая равна высоте подъема винтовой линии резьбы гайки 4 на участке разности Δ окружных длин l₁ и l₂ винтовых линий резьб винта 3 и гайки 4 соответственно (фиг.2). Эта величина рассчитывается по формуле:

где X - величина осевого перемещения винта 3 за один его оборот по гайке 4,

S - величина шага резьбы, одинаковая для винта 3 и гайки 4,

D - диаметр резьбы гайки 4,

d - диаметр резьбы винта 3.

Резьбовые витки винта 3 не скользят по виткам гайки 4, а катятся по ним, что значительно уменьшает трение между деталями этой передачи, а следовательно, увеличивает ее кпд (0,9-0,95) по сравнению с традиционной передачей винт-гайка, что позволяет уменьшить размеры передаточного механизма и всего привода в целом. Для предотвращения случаев, влекущих за собой переход резьбового винта 3 с движения качения по гайке 4 на скольжение и, следовательно, превращение этой передачи в традиционную передачу винт-гайка, таких, например, как заклинивание подшипника резьбового винта 3, устройство может быть снабжено ползуном 5 и планетарной передачей, работающими следующим образом. Резьбовой винт 3 вращает зубчатое колесо (сателлит) 6, жестко и соосно соединенное с ним. Зубчатое колесо (сателлит) 6 перемещается со своей осью относительно центрального зубчатого колеса 7 вместе с резьбовым винтом 3. Центральное зубчатое колесо 7, жестко соединенное с ползуном 5 и соосное с валом 2, передает поступательное движение ползуну 5, не имеющему возможности взаимного проворота относительно гайки 4.

При наличии в устройстве механизма 8 ручного вращения вала 2 оно работает следующим образом. Двигатель 1 не действует. Полумуфту 10 с охватывающими ее наружными зубьями перемещают, например, рычажным механизмом в осевом направлении до соединения с зубчатой передачей 11, которая в свою очередь связана с механизмом 8 ручного вращения вала 2. Вращая вручную механизм 8, например с помощью маховика, передают движение от него к зубчатой передаче 11, а затем полумуфте 10. Полумуфта 10 сопряжена своей кулачковой торцевой поверхностью с кулачковой торцевой поверхностью другой полумуфты 9, жестко установленной на валу 2. Выступы и впадины кулачков обеих полумуфт 9 и 10 взаимодействуют, и движение передается валу 2 передаточного механизма.

При включении двигателя 1 кулачок полумуфты 9 воздействует на полумуфту 10 так, что она свободно движется в осевом направлении и выходит из зубчатого зацепления между нею и зубчатой передачей 11, а следовательно, и механизмом 8 ручного вращения вала 2. Подобная конструкция исключает травмы при работе с механизмом 8 ручного перемещения вала 2 в случае неожиданного начала работы двигателя.

Для предотвращения выхода из зацепления полумуфт 9 и 10 при осевом перемещении полумуфты 10 предусмотрен ограничитель 12 ее осевого перемещения, который может быть выполнен, например, в виде уступа, буртика, выступа, паза, пальца и т.п. на валу 2, взаимодействующего с торцевой поверхностью полумуфты 10 или со специальным выступом на ее внешней поверхности.

Если подвижной в осевом направлении является нижняя полумуфта, то ограничитель 12 устанавливают снизу от нее, если верхняя - то сверху от нее.

Кулачки сопрягаемых торцевых поверхностей полумуфт 9 и 10 могут быть любыми: треугольными, трапецеидальными, волновыми, криволинейными и т.п., но в любом случае они должны обеспечивать зацепление полумуфт 9 и 10 и свободное осевое перемещение полумуфты 10.

Для смазки привода может быть предусмотрен сквозной канал 14. Тогда во внутреннюю полость корпуса 13 заливают необходимое количество жидкой смазки, и устройство работает следующим образом. Когда резьбовой винт 3 (или резьбовой винт 3 вместе с ползуном 5) опускается в нижнюю часть корпуса 13, то находящийся под ним свободный объем уменьшается, жидкая смазка выдавливается в выход 15 канала 14 у основания корпуса 13, поднимается по сквозному каналу 14, через выход 16 канала 14 попадает над движущимися элементами передаточного механизма, а затем стекает, например, по винтовой канавке гайки 4 в нижнюю часть корпуса 13.

С помощью заявляемого устройства вращательное движение вала двигателя сразу превращается в замедленное поступательное перемещение арматуры без передаточного механизма (редуктора). Привод имеет высокий кпд (0,9-0,95), так как его передаточный механизм основан на принципе качения в паре винт-гайка. Возможность автоматического отключения механизма ручного вращения вала передаточного механизма при включении двигателя вращения делает устройство безопасным. Система непрерывной смазки упрощает обслуживание устройства и продлевает срок его службы. У устройства малые габариты (диаметр 90 мм, высота 190 мм) и масса (7,5 кг). Оно не требует для своего производства сложного технологического оборудования.

Источники информации

1. Патент РФ № 2108513.

2. Патент РФ № 2113646.

3. Патент РФ № 2132990.

Привод трубопроводной запорной арматуры предназначен для использования в трубопроводном транспорте нефти, газа и других продуктов. Привод содержит передаточный механизм. Последний содержит вал. На последнем несоосно установлен по меньшей мере один свободно вращающийся на валу резьбовой винт в паре с гайкой. Гайка соосна с валом и имеет диаметр больше диаметра резьбы винта на величину удвоенного эксцентриситета между осью винта и вала. Внутри гайки расположен ползун и планетарная передача. Последняя включает зубчатое колесо (сателлит). Последнее жестко и соосно соединено с резьбовым винтом (водилом). Обеспечивается меньшая трудоемкость при изготовлении. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Привод трубопроводной запорной арматуры, включающий двигатель вращения с передаточным механизмом, отличающийся тем, что передаточный механизм содержит вал, на котором несоосно установлен по меньшей мере один свободно вращающийся на валу резьбовой винт в паре с гайкой, соосной с валом, резьба которой диаметром больше диаметра резьбы винта на величину удвоенного эксцентриситета между осью винта и вала, а шагом равна шагу винта.2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что он может содержать ползун, расположенный внутри гайки, планетарную передачу, включающую зубчатое колесо (сателлит), жестко и соосно соединенное с резьбовым винтом (водилом), и центральное зубчатое колесо, жестко соединенное с ползуном и соосное с валом.3. Привод по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что он содержит механизм ручного вращения вала, установленную на валу муфту, включающую две полумуфты с кулачковыми сопрягаемыми торцевыми поверхностями, при этом одна из полумуфт выполнена жестко установленной на валу, а другая - с охватывающими ее наружными зубьями и возможностью осевого перемещения, зубчатую передачу между механизмом ручного вращения вала и полумуфтой с наружными зубьями, ограничитель осевого перемещения полумуфты с наружными зубьями, предотвращающий выход ее кулачка из зацепления с кулачком другой полумуфты.4. Привод по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он содержит корпус, по длине которого расположен по меньшей мере один сквозной канал, имеющий выход во внутреннюю полость корпуса у его основания и выход над движущимися элементами передаточного механизма.