ПРИВОД КЛАПАНА Российский патент 2005 года по МПК F16K31/04 

Изобретение касается привода клапана с двигателем, действующим посредством передаточного механизма на тягу.

Привод клапана такого рода используют, например, для открывания и закрывания больших клапанов. Одним из примеров применения таких клапанов является регулирование сетевой жидкости для мощных теплообменных аппаратов, используемых для воздушного отопления палаток, залов и т.п.

Клапан имеет затвор, который с помощью толкателя можно перемещать к седлу клапана. В направлении открывания затвор нагружен пружиной. Таким образом, при закрывании привод клапана должен работать против усилия пружины (или какой-либо открывающей нагрузки иного рода), в то время как при открывании, в сущности, необходимо управлять лишь движением затвора, не прикладывая приводного усилия.

Чтобы предотвратить перегрузку привода клапана, привод должен прекращать движение в тот момент, когда затвор прилегает к седлу клапана и не может двигаться дальше. Эту задачу можно решить, определив длину пути, который проходит затвор от открытого положения до закрытого, и передав соответствующие данные в управляющее устройство, которое управляет приводом клапана, однако такой подход имеет недостатки. Если рабочий ход затвора задан при производстве привода клапана, то такой привод клапана подходит только для определенных клапанов. Настройку под другие клапаны, отличающиеся, например, величиной рабочего хода затвора, можно осуществить лишь с относительно большими затратами.

В основе изобретения лежит задача автоматической настройки привода клапана к различным клапанам.

Для решения этой задачи предусмотрен привод клапана с двигателем, действующим через передаточный механизм на тягу, причем передаточный механизм имеет муфту, состоящую из двух деталей. Детали входят в зацепление друг с другом посредством двух сопряженных зубчатых венцов, одна из деталей выполнена с возможностью смещения в осевом направлении при вращении обеих деталей относительно друг друга. Привод клапана имеет также выключатель, приводимый в действие смещающейся деталью через приводное устройство.

В такой конструкции двигатель через передаточный механизм может приводить в движение тягу и перемещать затвор клапана к седлу клапана. Когда затвор прилегает к седлу клапана, дальнейшее движение тяги становится невозможным, поэтому на "выходе" передаточного механизма возникает относительно большой противодействующий момент. Этот противодействующий момент приводит к тому, что одна деталь муфты вследствие зацепления зубчатых венцов перемещается в осевом направлении. Это движение можно использовать для приведения в действие выключателя. Осевое перемещение является результатом того, что боковые поверхности зубьев сопряженных друг с другом зубчатых венцов давят друг на друга, в результате движение вращения под действием силы сдвига преобразуется в смещение в осевом направлении. Для такого "датчика давления" необходимо относительно небольшое дополнительное конструктивное пространство. Муфту можно выполнить как часть передаточного механизма, так что для датчика давления не нужны никакие дополнительные детали. При приведении в действие выключателя он просто выключает двигатель, причем достаточно производить выключение только в одном направлении, а именно в направлении закрывания. Движение двигателя в другом направлении, то есть для открывания клапана, остается возможным. Выключение двигателя дает ряд преимуществ. Во-первых, предотвращается перегрузка двигателя, например, вследствие перегрева. Во-вторых, устраняется опасность того, что произойдет проскальзывание муфты с ее повреждением.

Предпочтительно тяга имеет резьбу, на которую навинчена ведомая гайка, являющаяся частью передаточного механизма. С помощью резьбовой передачи между гайкой и тягой можно преобразовать с необходимым передаточным числом вращательное движение двигателя в поступательное движение тяги.

При этом особенно предпочтительно, чтобы гайка являлась одной из двух деталей муфты. Одновременно гайка образует одно из последних звеньев передаточного механизма. Соответственно, вращающий момент, который действует на другую деталь муфты, здесь имеет наибольшую величину. Следовательно, если обе детали муфты немного проворачиваются относительно друг друга, то разжимающее движение между обеими деталями муфты осуществляется относительно легко. Такое проворачивание является результатом того, что когда тяга вследствие прилегания затвора к седлу клапана блокируется, то гайка на тяге не может более вращаться. Напротив, ведущая деталь муфты продолжает вращаться двигателем еще на некоторый угол, причем это вращение, как было упомянуто, приводит к перемещению в осевом направлении. Перемещение в осевом направлении, в свою очередь, приводит в действие выключатель, который выключает двигатель.

Предпочтительно гайка представляет собой неподвижную в осевом направлении деталь муфты. В сущности, положение гайки в осевом направлении всегда фиксировано. Если гайку используют в качестве неподвижной детали муфты, то тягу при приведении в действие выключателя перемещать не нужно, что, в свою очередь, могло бы привести к открыванию клапана.

Предпочтительно боковые поверхности зубьев зубчатого венца имеют, по крайней мере, в одном направлении действия два участка, причем эти участки имеют разный наклон. Благодаря этому можно управлять осевым смещением деталей муфты относительно друг друга во времени.

В одном из предпочтительных вариантов конструкции предусмотрено, что первый участок, идущий от основания зуба, должен быть наклонен больше, чем второй участок, расположенный ближе к вершине зуба. При вращении обеих деталей муфты относительно друг друга больший наклон сначала дает относительно быстрое осевое перемещение одной детали муфты относительно другой. Меньший наклон второго участка затем вызывает более медленное смещение, которое, однако, происходит с развитием большего усилия при условии, что вращающий момент на этой детали муфты остается неизменным.

Приводное устройство предпочтительно имеет зазор относительно выключателя, а первый участок боковой поверхности зуба имеет такую высоту, которая достаточна для преодоления этого зазора. Таким образом сохраняется некоторый промежуток между приводным устройством и точкой приведения выключателя в действие. Небольшие колебания, например, вследствие вибрации не приводят выключатель в действие. Для приведения выключателя в действие необходимо преодолеть зазор. Понятие "зазор" не обязательно означает наличие физического промежутка между отдельными деталями приводного устройства. Под понятием "зазор" понимают путь, который должно пройти приводное устройство для того, чтобы вызвать изменение состояния выключателя. Итак, первый участок выполнен таким образом, чтобы приводное устройство в конце первого участка оказывалось в положении, соответствующем приведению выключателя в действие. Это не означает, что выключатель должен при этом уже быть приведен в действие, хотя, естественно, это является возможным. Приводное устройство в этот момент скорее находится в своего рода положении готовности. Так как приводное устройство, то есть отдельные детали приводного устройства на первом участке только смещаются, то на этом отрезке движения еще не следует рассчитывать на большое противодействующее усилие. Поэтому движение, которое происходит благодаря первому участку с более крутым наклоном, может быть осуществлено относительно быстро и с меньшим противодействующим усилием.

Предпочтительно второй участок боковой поверхности зуба должен быть такой высоты, которая была бы достаточна для приведения в действие выключателя после преодоления зазора. Как было упомянуто выше, когда оказывается задействован второй участок боковой поверхности зубьев, движение подвижной детали муфты происходит медленнее, но зато с развитием большего усилия. Такое более медленное движение вполне приемлемо, так как выключатель находится в состоянии перед приведением в действие. Однако при приведении в действие выключатель обычно развивает противодействующую силу. Так как второй участок боковых поверхностей зубьев является более пологим, при одинаковом вращающем моменте развивается, соответственно, большая сила, которой достаточно для приведения выключателя в действие.

Предпочтительно гайка связана с ручкой, а зубья в другом направлении действия имеют боковые поверхности с наклоном, меньшим, чем наклон на первом участке. При необходимости, если привод клапана использовать невозможно, клапаном можно управлять вручную. Такая необходимость может возникнуть в случае неисправности двигателя или отказа управления. В этом случае муфта действует как муфта с проскальзыванием, так как двигатель через передаточный механизм передает на муфту такой большой момент, что без участия оператора преодолеть его практически невозможно. Когда оператор приводит в движение ручку, чтобы открыть или закрыть клапан, то он должен, таким образом, развить момент, являющийся суммой нескольких составляющих. Во-первых, он должен привести в движение затвор для открывания или закрывания клапана. Во-вторых, он должен преодолеть трение в передаточном механизме между гайкой и тягой. Наконец, оператор должен развить момент, достаточный для проскальзывания муфты. Момент, который должен приложить оператор при закрывании, превышает момент, который он должен приложить при открывании, так как затвор клапана предварительно нагружен в направлении открывания. Наклон боковых поверхностей зубьев в первом направлении действия и во втором направлении действия можно согласовать друг с другом таким образом, что доля момента, которая приводит к проскальзыванию муфты, в направлении закрывания будет меньше, чем в направлении открывания. Поэтому при выборе соответствующих размеров момент, который должен приложить оператор при открывании клапана, будет примерно таким же, как момент, необходимый для закрывания клапана.

Предпочтительно боковые поверхности зубьев другого направления действия должны иметь наклон, соответствующий наклону второго участка. Это облегчает производство.

Предпочтительно зубчатые венцы должны образовывать взаимодополняющую пару. Взаимодействующие боковые поверхности зубьев должны иметь, таким образом, одинаковый наклон. Это относится также к обоим отрезкам боковых поверхностей зубьев в первом направлении действия.

Предпочтительно приводное устройство представляет собой рычаг, взаимодействующий со смещающейся деталью муфты. С помощью этого рычага можно преобразовать смещение детали таким образом, что перемещение этой детали муфты будет действовать не непосредственно на выключатель, но, тем не менее, выключатель будет надежно приведен в действие.

Предпочтительно смещающаяся деталь муфты действует на более короткий участок рычага, а более длинный участок рычага действует на выключатель. Это можно реализовать как с помощью одноплечего, так и с помощью двуплечего рычага. Необходимое преобразование движения достигается посредством соответствующего передаточного отношения между обоими отрезками рычага.

Предпочтительно должна быть предусмотрена пружина для того, чтобы обе детали муфты держались вместе. Пружина, в сущности, задает момент расцепления обеих деталей муфты, точнее говоря, осевой сдвиг одной детали муфты относительно второй детали. Силу, которую развивает пружина, можно рассчитать таким образом, что клапан будет надежно закрываться и в то же время будет предотвращена перегрузка двигателя и передаточного механизма.

Далее изобретение более подробно описано на примере предпочтительной реализации в сочетании с чертежами. При этом на фигурах показано следующее:

Фиг.1

Привод клапана в разрезе;

Фиг.2

Вид зубьев и сопряженных зубьев в муфте в увеличенном масштабе.

На фиг.1 показан привод 1 клапана, взаимодействующий с клапаном 2, показанным схематично пунктиром. Клапан 2 имеет седло 3 клапана, к которому может прилегать затвор 4. Зазор между седлом 3 клапана и затвором 4 определяет свободное сечение, через которое может протекать жидкость. Затвор 4 приводят в действие толкателем 5. Затвор предварительно нагружен в направлении открывания пружиной 6, опирающейся на корпус 7 клапана. Таким образом, для закрывания клапана, то есть для движения затвора 4 к седлу 3 клапана, необходима сила, достаточная для того, чтобы преодолеть усилие пружины 6. Следовательно, для управления достаточно, чтобы сила действовала на торец толкателя 5. Если эта сила больше усилия, приложенного со стороны пружины 6, то клапан закрывается, если же эта сила меньше усилия пружины, то клапан открывается.

В приводе 1 клапана имеется тяга 8, торец которой прилегает к толкателю 5. Тяга 8 имеет внешнюю резьбу 9, на которую навинчена гайка 10. Гайка 10 образует часть передаточного механизма между двигателем 11 и тягой. На чертеже схематично показаны зубчатые колеса 12, 13 и 14 передаточного механизма. Передаточный механизм имеет относительно большое передаточное число, так что даже при высокой частоте вращения двигателя 11 тяга 8 перемещается сравнительно медленно. Направление движения тяги 8 зависит от направления вращения двигателя 11.

Зубчатое колесо 14, то есть последнее колесо в цепи зубчатых колес между двигателем 11, тягой 8 и гайкой 10 является частью муфты, причем гайка 10 благодаря пружине 15 установлена в корпусе 16 привода 1 клапана практически неподвижно. Зацепление между гайкой 10 и зубчатым колесом 14 происходит за счет зубьев 17, выполненных на гайке (фиг.2), и соответствующих сопряженных с ними зубьев 18 зубчатого колеса 14.

Зубья 17 и сопряженные с ними зубья 18 выполнены так, что они образуют взаимодополняющие пары, то есть боковые поверхности прилегающих друг к другу зубьев имеют одинаковый наклон.

На фиг.2 изображено положение, при котором зубчатое колесо 14 движется слева направо относительно гайки 10. При этом правые боковые поверхности зубьев зубчатого колеса 14 прилегают к левым боковым поверхностям зубьев гайки 10. Эти боковые поверхности зубьев обозначены как боковые поверхности первого направления действия.

На фиг.2d зуб зубчатого венца 17 гайки 10 изображен в увеличенном виде. Здесь видно, что боковые поверхности первого направления действия имеют первый участок 19, который начинается у основания 20 зуба, и второй участок 21, который примыкает к вершине 22 зуба. Первый участок 19 является более крутым, чем второй участок 21. Поэтому при движении зубчатого колеса 14 относительно гайки 10 зубья зубчатого колеса 14 скользят сначала вдоль первого участка 19, а затем вдоль второго участка 21, вследствие чего зубчатое колесо 14 немного отходит от гайки 10. Это возможно благодаря тому, что в корпусе имеется свободное пространство h, в котором зубчатое колесо 14 может смещаться в осевом направлении.

При таком смещении зубчатое колесо действует на плечо 23 рычага 24, установленного с возможностью поворота вокруг оси 25. У рычага 24 имеется второе плечо 26, длина этого плеча больше длины первого плеча 23. Второе плечо 26 рычага взаимодействует с выключателем 27, который, в свою очередь, связан с управляющим устройством 28, это устройство изображено схематично. При приведении в действие выключателя 27 управляющее устройство 28 останавливает двигатель 11.

Для того чтобы удерживать первое плечо 23 рычага 24 в состоянии прилегания к зубчатому колесу 14, может быть предусмотрена пружина, которая подробно не показана. Таким образом, рычаг 24 представляет собой приводное устройство для выключателя 27, приводимое в действие зубчатым колесом 14, образующим смещающуюся деталь муфты 10,14.

Благодаря тому, что рычаг 24 прилегает к зубчатому колесу 14, можно предусмотреть небольшой зазор между вторым плечом 26 рычага и выключателем 27 для исключения вероятности того, что выключатель 27 будет непреднамеренно приведен в действие при небольших колебаниях рычага 24.

Высоту зубьев зубчатого венца 17 выбирают таким образом, что участок 19 имеет высоту h1, а участок 21 - высоту h2. Высоту h1 выбирают такой величины, чтобы в момент, когда зубчатое колесо 14 благодаря первому участку 19 зубчатого венца 17 отходит от зубчатого колеса 10, выбрать зазор между вторым плечом 26 рычага и выключателем 27. Благодаря относительно большой крутизне первого участка 19 движение, задаваемое этим участком, происходит относительно быстро. Так как в этой фазе рычагу 24 преодолевать противодействующее усилие еще не приходится, момент вращения зубчатого колеса 14 оказывается достаточным для того, чтобы вызвать это движение рычага 24.

В конце первого участка 19 второе плечо 26 рычага прилегает к выключателю 27. Движение рычага 24, управляемое вторым участком 21, происходит медленнее, зато (при постоянном вращающем моменте зубчатого колеса 14) с большим усилием. Таким образом, рычаг 24 получает возможность привести в действие выключатель 27. Соотношение сил видно из сравнения фигур 2а-2с. На фиг.2а первые участки 19 зубчатых венцов 17, 18 взаимодействуют друг с другом. На фиг.2b изображено положение перехода от участка 19 к участку 21. На фиг.2с зубчатый венец 17 и сопряженный с ним зубчатый венец 18 взаимодействуют друг с другом участками 21.

Для другого направления действия зубья имеют вторую боковую поверхность 29, наклон которой примерно соответствует наклону второго участка 21 первой боковой поверхности зубьев. Это объясняется следующей причиной:

Как схематично показано на фиг.1, в некоторых случаях гайка 10 соединена с ручкой 30, которая позволяет при отказе двигателя 11 вращать гайку 10 вручную, чтобы открыть или закрыть клапан 2.

При этом желательно, чтобы вращающий момент, который развивает оператор, был примерно одинаковым в обоих направлениях. Этот вращающий момент является суммой нескольких составляющих. Во-первых, необходимо преодолеть трение в передаточном механизме между гайкой 10 и тягой 8. Это трение одинаково в обоих направлениях. Вторая составляющая возникает в результате усилия, которое необходимо для приведения в движение затвора 4 клапана. Эта сила в направлении закрывания больше, чем в направлении открывания, так как в направлении открывания добавляется усилие со стороны пружины 6. И, наконец, существует третья составляющая, которая возникает вследствие того, что, несмотря на зубчатый венец 17 и сопряженный с ним зубчатый венец 18, гайка 10 должна смещаться относительно зубчатого колеса 14. Если двигатель 11 останавливается, то зубчатое колесо 14, по существу, блокируется. Из-за относительно высокого передаточного числа передаточного механизма вращать двигатель 11 практически невозможно.

Когда гайка 10 вращается относительно зубчатого колеса 14 слева направо (в соответствии с фиг.2), то боковые поверхности зубьев 29 скользят друг по другу. Вследствие относительно небольшого наклона боковых поверхностей зубьев 29 для этого движения необходима меньшая сила, чем при движении в противоположном направлении, когда друг по другу скользят участки 19 боковых поверхностей зубьев. Угол наклона можно выбрать таким образом, что экономия силы, достигаемая за счет боковых поверхностей 29, будет примерно равна дополнительной силе, которую необходимо приложить из-за наличия пружины 6 при движении по закрыванию клапана 2. В этом случае вращающий момент, развиваемый оператором на ручке 30, будет, по существу, одинаковым в обоих направлениях вращения.

Привод клапана предназначен для использования при открытии и закрытии больших клапанов. Привод клапана содержит двигатель. Последний действует посредством передаточного механизма на тягу. Последняя имеет резьбу. На последнюю навинчена являющаяся частью передаточного механизма гайка. Последняя является одной из двух деталей муфты. Передаточный механизм имеет муфту. Последняя состоит из двух деталей. Последние посредством зубчатого венца на одной детали и сопряженного с ним зубчатого венца на другой детали находятся в зацеплении друг с другом. Одна из деталей выполнена с возможностью смещения в осевом направлении при вращении указанных деталей относительно друг друга. Смещающаяся деталь связана с выключателем. Последний выполнен с возможностью приведения в действие смещающейся деталью через приводное устройство. Обеспечивается автоматическая настройка привода клапана к различным клапанам. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Привод клапана с двигателем, действующим посредством передаточного механизма на тягу, причем передаточный механизм (10, 12-14) имеет муфту, состоящую из двух деталей (10, 14), которые посредством зубчатого венца (17) и сопряженного с ним зубчатого венца (18) находятся в зацеплении друг с другом, а одна из деталей выполнена с возможностью смещения в осевом направлении при вращении деталей (10,14) относительно друг друга, а также с выключателем (27), выполненным с возможностью приведения в действие смещающейся деталью через приводное устройство (24).2. Привод клапана по п.1, характеризующийся тем, что тяга (8) имеет резьбу (9), на которую навинчена гайка (10), являющаяся частью передаточного механизма.3. Привод клапана по п.2, характеризующийся тем, что гайка является одной из двух деталей муфты.4. Привод клапана по п.3, характеризующийся тем, что гайка представляет собой неподвижную в осевом направлении деталь муфты.5. Привод клапана по п.1, характеризующийся тем, что зубья зубчатого венца (17), по меньшей мере, в одном направлении действия имеют боковую поверхность с двумя участками, причем эти участки (19, 21) имеют разный наклон.6. Привод клапана по п.5, характеризующийся тем, что первый участок (19), идущий от основания зуба, имеет больший наклон, чем второй участок (21), расположенный ближе к вершине (22) зуба.7. Привод клапана по п.6, характеризующийся тем, что между приводным устройством (24) и выключателем (27) имеется зазор, а первый участок (19) боковой поверхности зуба имеет высоту (h1), которая достаточна для преодоления этого зазора.8. Привод клапана по п.7, характеризующийся тем, что второй участок (21) боковой поверхности зуба имеет высоту (h2), которая достаточна для приведения в действие выключателя (27) после преодоления зазора.9. Привод клапана по п.1, характеризующийся тем, что гайка (10) связана с ручкой (30), а зубья зубчатого венца (17) в другом направлении действия имеют боковую поверхность (29) с наклоном, меньшим, чем наклон на первом участке (19).10. Привод клапана по п.9, характеризующийся тем, что боковые поверхности (29) зубьев другого направления действия имеют наклон, соответствующий наклону на втором участке (21).11. Привод клапана по п.1, характеризующийся тем, что зубчатый венец (17) и сопряженный с ним зубчатый венец (18) образуют взаимодополняющую пару.12. Привод клапана по п.1, характеризующийся тем, что приводное устройство (24) представляет собой рычаг, взаимодействующий со смещающейся деталью (14) муфты.13. Привод клапана по п.12, отличающийся тем, что смещающаяся деталь (14) муфты выполнена с возможностью действовать на более короткий участок (23) рычага, а более длинный участок рычага выполнен с возможностью действовать на выключатель (27).14. Привод клапана по любому из пп.1-13, характеризующийся тем, что в нем предусмотрена пружина (15) для удержания обеих деталей муфты (10, 14) вместе.