Электропривод трубопроводной арматуры с ручным дублером Российский патент 2024 года по МПК F16K31/05 F16K31/53 

Заявляемое техническое решение относится к области машиностроения, в частности, к электрическим средствам для комбинированного управления электрифицированной запорной и регулирующей арматурой с помощью электродвигателя и вручную, применяемым при трубопроводной транспортировке жидких продуктов и рабочих сред в тепловой и атомной энергетике, химической и нефтегазовой отраслях, инженерных сетях тепло- и водоснабжения.

В настоящее время тенденция увеличения надежности механизмов переключения режимов работы электроприводов с автоматического на ручное, и наоборот, формирует необходимость создания новых решений, учитывающих разные конструктивные особенности работы электроприводов в двух различных режимах. Однако зачастую попытки создания универсального решения приводят к увеличению количества деталей и усложнению процесса управления, ввода в зацепление кинематических звеньев на скоростях и крутящих моментах, близких к номинальным, что сказывается на снижении надежности и ресурса работы электроприводов, увеличению их массы. Стремление повысить КПД редукторов для снижения потерь по всей кинематической цепи от электродвигателя электропривода до штока запорной арматуры, зачастую приводит к проявлению мультипликативного эффекта в обратном направлении, от штока к электродвигателю. Таким образом, становится актуальной задача создания новых решений, характеризующихся высокой надежностью и обеспечивающих стабильную работу в автоматическом и ручном режимах и при переходе с одного режима на другой.

Из уровня техники известно решение, представляющее собой электропривод трубопроводной арматуры с ручным дублером, содержащий электродвигатель и корпус, включающий планетарный редуктор, внешняя сторона коронной шестерни которого выполнена в виде червячного колеса и связана с узлом управления ручного дублера, включающем червяк и штурвал управления. Входная шестерня редуктора выполнена свободно сидящей на валу электродвигателя и жестко связана со звездочкой обгонной муфты двойного действия, обойма которой связана с корпусом редуктора, а вилка - с валом электродвигателя. Неподвижный венец планетарного редуктора, выполненный в форме червячного колеса, зацеплен с червяком, вал которого связан со штурвалом ручного управления и со звездочкой обгонной муфты двойного действия, вилка которой соединена со штурвалом ручного дублера. Авторское свидетельство СССР № SU363832A1, МПК F16K 31/05, опубликовано 25.12.1972.

Недостатком данного решения является ненадежность его работы, обусловленная наличием обгонной муфты, т.к. при большом количестве пусков и остановов электропривода происходит истирание ее контактирующих поверхностей, что может привести к заклиниванию и/или выходу из строя обгонной муфты, и как следствие всего устройства.

Из уровня техники известен комбинированный привод, содержащий ручной привод и электродвигатель, связанный с ведомым валом посредством муфт сцепления, и механизм переключения, выполненный в виде связанного с одной из полумуфт каждой муфты сцепления подпружиненного штока, размещенного с возможностью перемещения в выполненном в ведомом валу отверстия, и фиксатора, смонтированного на ведущей полумуфте электродвигателя, в котором ведущие полумуфты ручного привода и электродвигателя установлены с возможностью осевого перемещения. Первая из них подпружинена к одному концу штока, а вторая закреплена на другом его конце, фиксатор выполнен в виде Г-образных рычагов с грузами, установленных шарнирно на ведущей полумуфте электродвигателя с возможностью взаимодействия с торцом вала электродвигателя. Авторское свидетельство № SU 1255795 A1, МПК F16K 31/05, опубликовано 07.09.1986.

Недостатком данного устройства является неудобство в работе из-за необходимости ручного переключения режимов, так как при запуске электродвигателя в случае положения штурвала «ручной» электропривод не включится в работу. Таким образом, ошибка персонала может привести к нарушениям технологического режима, ненадежность при износе или ослаблении пружин и шарнирно установленных грузов.

Из уровня техники также известен электропривод с ручным дублером, в котором расположены электродвигатель, редуктор и ручной дублер, причем на валу редуктора установлена двусторонняя муфта, выполненная в виде обгонной, на наружной обойме которой, заодно с ней выполнено зубчатое колесо, а ручной дублер закреплен на колесе с внутренними зубьями, установленном с возможностью вращения в корпусе соосно с зубчатым колесом на наружной обойме двусторонней обгонной муфты, при этом колесо с внутренними зубьями и зубчатое колесо на двусторонней обгонной муфте связаны между собой через паразитные шестерни. Патент РФ № RU2323380C2, МПК F16K 31/05, опубликован 27.04.2008.

Недостатком этого устройства является повышение риска выхода из строя обгонной муфты, т.к. при большом количестве пусков и остановов электропривода происходит истирание ее контактирующих поверхностей, что может привести к заклиниванию и/или выходу из строя обгонной муфты, и как следствие всего устройства.

Известен также электропривод с ручным дублером, содержащий корпус, электродвигатель, редуктор, ручной дублер, содержащий вал ручного дублера с рукояткой, фиксатор отключенного положения рукоятки ручного дублера, муфту, состоящую из установленных соосно полумуфты вала ручного дублера и полумуфты вала электропривода, причем последовательно расположенные ручной дублер, электродвигатель и редуктор выполнены в едином корпусе и кинематически связаны между собой выходными валами, расположенными на единой оси. Ручной дублер имеет систему электронного отключения электродвигателя, содержащую датчик положения полумуфты вала ручного дублера, и электронного блока управления, выполненного с возможностью отключения электродвигателя в зависимости от положения полумуфты вала ручного дублера. Ручной дублер содержит пружину и шарик для ограничения перемещения вала ручного дублера. Патент РФ № RU 198548 U1, МПК F16K 31/05, опубликован 15.07.2020.

Данное решение не обладает достаточной надежностью устройства, так как ручной дублер имеет систему электронного отключения электродвигателя, что ставит работу дублера в зависимость от наличия питания датчика и электронного блока.

Из уровня техники известно решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, описывающее электропривод с ручным дублером, который содержит электродвигатель и корпус, включающий расположенный в корпусе цилиндрический или конический редуктор, входная шестерня которого жестко закреплена на валу электродвигателя, а выходная шестерня этого редуктора жестко закреплена на валу планетарного редуктора. При этом внешняя сторона коронной шестерни планетарного редуктора выполнена в виде червячного колеса и связана с узлом управления ручного дублера, включающим червяк и штурвал управления, а планетарный редуктор содержит дополнительную коронную шестерню, расположенную ниже основной коронной шестерни на одной оси параллельно с ней и имеет количество зубьев, по меньшей мере, на один зуб больше или меньше n=±1, чем у основной коронной шестерни. При этом, обе коронные шестерни имеют одинаковые делительные диаметры и связаны между собой сателлитами, которые, в свою очередь, кинематически связаны с солнечной шестерней планетарного редуктора, которая связана с входным валом электропривода, причем дополнительная коронная шестерня жестко связана с выходным валом электропривода, а узел управления ручного дублера дополнительно содержит пружины на валу червяка. Патент РФ № RU 2797329 C1, МПК F16K 31/05, опубликован 02.06.2023.

Недостатком ближайшего аналога является вероятность нештатной работы при различных сочетаниях крутящих моментов от электродвигателя и штурвала ручного дублера в зависимости от противодействующей нагрузки на выходном звене электропривода, а именно, в режиме управления арматурой ручным дублером, при значительном увеличении нагрузки на выходном звене, например при заклинивании, возможно "опрокидывание" потока мощности в сторону электродвигателя и снижение его надежности.

Задачей заявленного технического решения является создание электропривода трубопроводной арматуры с ручным дублером с повышенной надежностью.

Технический результат заявляемого решения заключается в повышении надежности электропривода.

Повышение надежности электропривода достигается, в частности, повышением долговечности электропривода, повышением ресурса работы электропривода обусловленным возможностью обеспечения заторможенного состояния в кинематической цепи электродвигателя при обесточенном состоянии и управлении электроприводом ручным дублером, а также повышением надежности работы электропривода, обусловленным изменением алгоритма его работы с повышением стабильности фиксации запорной арматуры, в частности за счет разделения кинематических цепей управления запорной арматурой от электродвигателя и ручного дублера.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что электропривод трубопроводной арматуры с ручным дублером включает электродвигатель, содержащий вал с соединенным с ним нормально замкнутым электромагнитным тормозом, цилиндрический или конический редуктор, содержащий входную шестерню, жестко закрепленную на валу электродвигателя, и выходную шестерню, кинематически соединенную с входной шестерней, планетарный редуктор, включающий вал с жестко закрепленной на нем выходной шестерней цилиндрического или конического редуктора, солнечную шестерню, жестко закрепленную на валу планетарного редуктора, сателлиты, кинематически соединенные с солнечной шестерней, и коронную шестерню, разделенную в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала планетарного редуктора, на опорную часть, включающую внутреннюю сторону, кинематически соединенную с сателлитами, и внешнюю сторону, и ведомую часть, кинематически соединенную с сателлитами, червячный вал с жестко закрепленным на нем штурвалом ручного дублера, кинематически соединенный с внешней стороной опорной части коронной шестерни с возможностью самоторможения, и выходной вал электропривода, жестко соединенный с ведомой частью коронной шестерни, при этом количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни и ведомой части коронной шестерни связаны следующим соотношением:

,

где Z_в - количество зубьев ведомой части коронной шестерни;

Z ₀ - количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни;

N - количество сателлитов;

k - целочисленный коэффициент;

при этом целочисленный коэффициент k больше либо равен единице.

В контексте заявляемого решения под термином «кинематическая цепь» следует понимать систему кинематически соединенных между собой деталей электропривода, обеспечивающих передачу крутящего момента от входного звена электропривода, в частности электродвигателя или штурвала ручного дублера, до выходного звена, в частности, выходного вала электропривода. Под термином «разделение кинематических цепей» следует понимать вывод из кинематической цепи одних деталей за счет их затормаживания и включение в кинематическую цепь других деталей.

В контексте заявляемого решения под термином «опорное звено планетарного редуктора» следует понимать неподвижное звено кинематической цепи планетарного редуктора. Следует отметить, что формулировка «опорная часть коронной шестерни» не указывает на постоянную роль данной части в виде опорного звена планетарного редуктора; данная часть выполняет роль опорного звена только при одном режиме работы, тогда как при другом режиме является подвижным звеном.

В контексте заявляемого решения под термином «опрокидывание потока мощности» следует понимать перенаправление потока мощности, передаваемой кинематической цепью, в обратном направлении на участвующие в кинематической цепи детали.

Разделение кинематических цепей управления запорной арматурой от электродвигателя и штурвала ручного дублера обеспечивает надежность работы электропривода за счет предотвращения потери мощности на движение звеньев, не участвующих в передаче крутящего момента от источника вращения до выходного вала электропривода, что также обеспечивает стабильную фиксацию запорной арматуры при переходе с одного режима работы на другой, а также позволяет исключить дополнительные переключающие устройства, минимизировать массогабаритные показатели при сохранении КПД редуктора. Однако, отсутствие самоторможения в кинематической цепи от опорной части коронной шестерни в сторону электродвигателя требует в обязательном порядке устройства торможения вала электродвигателя. Такое разделение кинематических цепей предотвращает «опрокидывание» потока мощности в сторону электродвигателя при ручном режиме работы электропривода при повышении нагрузки на выходной вал электропривода, например, при заклинивании запорной арматуры, а заторможенные и выведенные из кинематической цепи детали выполняют роль опорного звена планетарного редуктора, повышая также его долговечность, и как следствие надежность.

Заявляемый электропривод трубопроводной арматуры с ручным дублером включает электродвигатель, содержащий вал с соединенным с ним нормально замкнутым электромагнитным тормозом, при растормаживании которого обеспечивается возможность работы электропривода в автоматическом режиме за счет передачи крутящего момента через кинематическую цепь на выходной вал электропривода для обеспечения регулирования положения электрифицированной запорной арматуры. В данном случае, кинематическая цепь при работе электропривода в автоматическом режиме включает: электродвигатель, входную и выходную шестерни цилиндрического или конического редуктора, вал планетарного редуктора, солнечную шестерню, сателлиты, ведомую часть коронной шестерни планетарного редуктора и выходной вал электропривода. Наличие нормально замкнутого электромагнитного тормоза, соединенного с валом электродвигателя, обеспечивает мгновенную остановку вала электродвигателя при его отключении или переходе на ручной режим работы электропривода, что предотвращает возможное остаточное вращение вала электродвигателя, передачу данного вращения по кинематической цепи на запорную арматуру и неверную ее регулировку, а также снижение стабильности фиксации, что может привести к снижению надежности работы электропривода. Кроме того, наличие соединенного с валом электропривода нормально замкнутого электромагнитного тормоза предотвращает вращение вала электродвигателя при ручном режиме работы электропривода, что обеспечивает разделение кинематических цепей управления запорной арматурой в ручном и автоматическом режимах и предотвращает ненужное вращение вала электродвигателя в отключенном состоянии, что может привести к его повреждению и поломкам, и как следствие снижению долговечности электропривода и в последствии снижению надежности работы электропривода, а также к «опрокидыванию» потока мощности в сторону электродвигателя, например, при заклинивании запорной арматуры в процессе ее регулировки в ручном режиме. Кроме того, наличие нормально замкнутого электромагнитного тормоза и разделение кинематических цепей не требует использования дополнительных переключающих устройств или кинематических звеньев, размыкающих и/или входящих в зацепление с деталями электропривода, что при многократных переключениях режимов работы электропривода предотвращает истирание деталей с возникновением люфта кинематической цепи, повышает долговечность, и как следствие надежность электропривода. При этом, использование нормально замкнутого электромагнитного тормоза и отсутствие дополнительных переключающих устройств и кинематических звеньев может дополнительно снижать габариты и массу заявляемого электропривода, тем самым стабилизируя поток мощности в сторону выходного вала электропривода, снижая риски его «опрокидывания» в сторону электродвигателя при работе в ручном режиме, повышая надежность электропривода.

Заявляемый электропривод включает также цилиндрический или конический редуктор, содержащий входную шестерню, жестко закрепленную на валу электродвигателя, и выходную шестерню, кинематически соединенную с входной шестерней, что является частью кинематической цепи, осуществляющей передачу крутящего момента на выходной вал электропривода от электродвигателя при автоматическом режиме работы. Использование цилиндрического или конического редуктора позволяет вынести электродвигатель за пределы оси перемещения шпинделя арматуры, что повышает ресурс и надежность работы электропривода, и как следствие его надежность в целом.

Жесткое закрепление входной шестерни цилиндрического или конического редуктора на валу электродвигателя обеспечивает передачу крутящего момента с вала электродвигателя на выходную шестерню цилиндрического или конического редуктора, а также остановку кинематической пары данного редуктора при остановке вращения вала электродвигателя посредством нормально замкнутого электромагнитного тормоза, предотвращая передачу крутящего момента по данной кинематической цепи. Жесткое закрепление входной шестерни цилиндрического или конического редуктора на валу электродвигателя обеспечивает остановку редуктора именно в момент срабатывания тормоза при остановке вала электродвигателя, обеспечивая стабильность фиксации запорной арматуры, и как следствие надежность работы электропривода. Кинематическое соединение входной и выходной шестерен цилиндрического или конического редуктора обеспечивает надежную работу электропривода и передачу крутящего момента на выходной вал для регулирования положения запорной арматуры.

Заявляемый электропривод включает также планетарный редуктор, включающий вал с жестко закрепленной на нем выходной шестерней цилиндрического или конического редуктора, солнечную шестерню, жестко закрепленную на валу планетарного редуктора, сателлиты, кинематически соединенные с солнечной шестерней, и коронную шестерню, разделенную в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала планетарного редуктора на опорную часть, включающую внутреннюю сторону, кинематически соединенную с сателлитами, и внешнюю сторону, и ведомую часть, кинематически соединенную с сателлитами. Заявляемое исполнение планетарного редуктора обеспечивает высокую надежность электропривода, так как обеспечивает разделение кинематических цепей управления запорной арматурой за счет возможности передачи крутящего момента от электродвигателя на выходной вал электропривода при автоматическом режиме работы и от штурвала ручного дублера также на выходной вал электропривода при ручном режиме работы, так как разные составные части планетарного редуктора заявляемого исполнения в зависимости от режима работы электропривода могут выполнять роль опорного звена, тем самым выводя детали электропривода из кинематической цепи в определенных режимах работы, обеспечивая стабильность фиксации запорной арматуры и предотвращая «опрокидывание» потока мощности.

Для специалиста в данной области техники понятна суть устройства и работы планетарного редуктора. Жесткое закрепление на валу планетарного редуктора выходной шестерни цилиндрического или конического редуктора позволяет за счет передачи крутящего момента от входной шестерни цилиндрического или конического редуктора на кинематически связанную с ней выходную шестерню приводить в движение вал планетарного редуктора, и как следствие остальную часть кинематической цепи. Жесткое закрепление солнечной шестерни на валу планетарного редуктора позволяет ей вращаться вместе с валом планетарного редуктора и передавать вращение на сателлиты, и как следствие остальную часть кинематической цепи. Наличие сателлитов, кинематически соединенных с солнечной шестерней, позволяет передавать вращение, в зависимости от режима работы, от солнечной шестерни на ведомую часть коронной шестерни (автоматический режим), или от опорной части коронной шестерни на ведомую часть коронной шестерни (ручной режим), в итоге обеспечивая передачу крутящего момента на выходной вал электропривода. Для специалиста в данной области техники также понятно, что сателлиты планетарного редуктора зафиксированы относительно друг друга на водиле, при этом количество сателлитов не менее двух. Наличие указанных жестких соединений обеспечивает своевременный отклик звеньев кинематической цепи и точную регулировку запорной арматуры, что повышает надежность работы электропривода. Использование именно планетарного редуктора, который зачастую характеризуется высоким КПД, повышает мощность, передаваемую данным редуктором, а также уменьшает габариты устройства, делая его более компактным и повышая надежность работы электропривода и электрифицированной арматуры в целом, в части вибростойкости и сейсмоустойчивости за счет снижения динамических нагрузок на бугельный узел арматуры.

Коронная шестерня планетарного редуктора заявляемого решения разделена в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала планетарного редуктора на опорную часть, включающую внутреннюю сторону, кинематически соединенную с сателлитами, и внешнюю сторону, и ведомую часть, кинематически соединенную с сателлитами, за счет чего обеспечивается увеличение передаточного отношения редуктора и разделение кинематических цепей при управлении в режимах от электродвигателя или от штурвала ручного дублера, что повышает надежность работы электропривода. Кроме того, такое исполнение исключает необходимость использования различных устройств, осуществляющих разделение кинематических цепей при смене режимов работы, а при отсутствии разделения коронной шестерни указанного исполнения и отсутствии переключающих устройств работа заявляемого электропривода была бы невозможна, вследствие наличия нормально замкнутого электромагнитного тормоза, а также червячного вала с самоторможением. Кинематическое соединение внутренней стороны опорной части коронной шестерни с сателлитами при ручном режиме работы электропривода позволяет передавать крутящий момент от штурвала ручного дублера, жестко закрепленного на червячном валу, который кинематически соединен с внешней стороной опорной части коронной шестерни, через сателлиты на ведомую часть коронной шестерни, и как следствие на выходной вал электропривода. Кинематическое соединение ведомой части коронной шестерни с сателлитами, а также ее жесткое соединение с выходным валом электропривода, позволяет выходному валу электропривода вращаться в обоих режимах работы, так как сателлиты передают крутящий момент от солнечной шестерни при автоматическом режиме, при этом опорная часть коронной шестерни выполняет роль опорного звена планетарного редуктора за счет червячного вала с самоторможением, и от опорной части коронной шестерни при ручном режиме, при этом солнечная шестерня планетарного редуктора выполняет роль опорного звена за счет наличия нормально замкнутого электромагнитного тормоза. Таким образом, коронная шестерня планетарного редуктора заявляемого исполнения выполняет роль переключателя для разделения кинематических цепей, повышая надежность электропривода, не требуя при этом использования дополнительных устройств для переключения, повышающих риски заклинивания цепи и повреждения электропривода.

Заявляемое решение также включает червячный вал с жестко закрепленным на нем штурвалом ручного дублера, кинематически соединенный с внешней стороной опорной части коронной шестерни с возможностью самоторможения, который обеспечивает работу заявляемого электропривода в ручном режиме. В данном случае, кинематическая цепь при работе электропривода в ручном режиме включает: штурвал ручного дублера, червячный вал, опорную часть коронной шестерни планетарного редуктора, сателлиты, ведомую часть коронной шестерни планетарного редуктора и выходной вал электропривода. Наличие жестко закрепленного на червячном валу штурвала ручного дублера позволяет передавать крутящий момент от штурвала через червячный вал на опорную часть коронной шестерни без люфта штурвала за счет жесткого соединения, что снижает риски потери мощности, а также несвоевременного отклика звеньев кинематической цепи, точно регулируя запорную арматуру и повышая надежность работы заявляемого решения. Кроме того, при отсутствии жесткого закрепления штурвала ручного дублера на червячном валу повышаются риски возникновения неравномерных нагрузок на червячный вал из-за наличия люфта, а также вибрационных нагрузок на звенья кинематической цепи, что повышает риски их истирания, повреждения и выхода из строя, таким образом заявляемое исполнение повышает долговечность, ресурс работы, и как следствие надежность решения. Кинематическое соединение червячного вала с внешней стороной опорной части коронной шестерни обеспечивает передачу крутящего момента при ручном режиме работы от штурвала ручного дублера через кинематическую цепь на выходной вал электропривода. Выполнение червячного вала, кинематически соединенного с внешней стороной опорной части коронной шестерни, с возможностью самоторможения, предотвращает вращение червячного вала при автоматическом режиме работы электропривода, тем самым обеспечивая передачу крутящего момента на выходной вал электропривода и предотвращая ухудшение отклика звеньев кинематической цепи, повышая надежность электропривода. За счет самоторможения опорная часть коронной шестерни выполняет роль опорного звена планетарного редуктора, позволяя сателлитам при вращении приводить в движение ведомую часть коронной шестерни, тем самым обеспечивая вращение выходного вала и управление запорной арматурой. Возможность самоторможения предпочтительно может быть реализована за счет большого передаточного отношения в кинематическом соединении червячного вала и внешней стороны опорной части коронной шестерни, что не позволяет опорной части коронной шестерни вращать червячный вал, и как следствие вращаться самой.

Заявляемый электропривод также включает выходной вал электропривода, жестко соединенный с ведомой частью коронной шестерни, который за счет вращения ведомой части коронной шестерни и их жесткого соединения обеспечивает управление запорной арматурой и функционирование устройства. Наличие жесткого соединения предотвращает люфт выходного вала при вращении ведомой части, тем самым снижая риски потери мощности при работе электропривода и увеличивая стабильность фиксации запорной арматуры, повышая надежность его работы. В предпочтительном варианте жесткое соединение выходного вала электропривода и ведомой части коронной шестерни может быть реализовано посредством выполнения данных звеньев кинематической цепи одной единой деталью.

Количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни и ведомой части коронной шестерни связаны следующим соотношением:

,

где Z_в - количество зубьев ведомой части коронной шестерни;

Z ₀ - количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни;

N - количество сателлитов;

k - целочисленный коэффициент;

при этом целочисленный коэффициент k больше либо равен единице. Заявляемое соотношение обеспечивает стабилизацию потока мощности в сторону выходного вала электропривода и предотвращает «опрокидывание» потока мощности в сторону электродвигателя при повышении нагрузки на выходной вал электропривода (например, при заклинивании запорной арматуры) при ручном режиме работы, повышение нагрузки на звенья кинематической цепи и последующие их повреждения, а также при резкой смене режимов работы с автоматического на ручное и обратно, обеспечивая плавность перехода, что повышает долговечность электропривода, и как следствие его надежность. Для специалиста в данной области техники понятно, что количество сателлитов и зубьев опорной части коронной шестерни планетарного редуктора может быть разным для увеличения передаточного отношения редуктора в целом.

Зависимость количества зубьев ведомой части коронной шестерни от количества зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни и количества сателлитов обусловлена тем, что сателлиты кинематически соединены с солнечной шестерней планетарного редуктора с одной стороны и с коронной шестерней планетарного редуктора с другой стороны. Однако, так как в заявляемом решении коронная шестерня разделена в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала планетарного редуктора, на опорную часть и ведомую часть, а в местах контактов звеньев планетарного редуктора вершины зубьев одних звеньев должны совпадать с впадинами других, кинематически соединенных с ними звеньев, разное количество зубьев внутренней стороны опорной части и ведомой части согласно заявляемому соотношению будет учитывать зазоры в зацеплении зубьев сателлитов с частями коронной шестерни, т.е. учитывать разный шаг зубьев за счет наличия целочисленного коэффициента k в соотношении, что предотвращает заклинивание звеньев кинематической цепи, тем самым повышая надежность электропривода.

Использование в соотношении знака «±» обеспечивает возможность выполнения количества зубьев ведомой части коронной шестерни больше или меньше количества зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни, что в обоих случаях позволяет достичь описанного выше эффекта учета зазоров в зацеплении зубьев сателлитов с частями коронной шестерни. Значение целочисленного коэффициента k в данном соотношении, являющееся бóльшим либо равным единице, обеспечивает пропорциональное увеличение или уменьшение количества зубьев ведомой части коронной шестерни относительно количества зубьев внутренней стороны опорной части ведомой шестерни, что также позволяет достичь описанного выше эффекта и обеспечить заявляемое решение высокой надежностью. Значение целочисленного коэффициента k не принимается равным отрицательным целочисленным значениям, так как заявляемое соотношение уже включает знак «±».

Далее заявляемое техническое решение поясняется с помощью фигуры, на которой условно представлена схема предпочтительного варианта заявляемого электропривода трубопроводной арматуры с ручным дублером в сечении.

Цифрами на фигуре обозначены:

- электродвигатель (1);

- вал (2) электродвигателя (1);

- нормально замкнутый электромагнитный тормоз (3);

- цилиндрический редуктор (4);

- планетарный редуктор (5);

- червячный вал (6);

- штурвал (7) ручного дублера;

- выходной вал электропривода (8);

- входная шестерня (9) цилиндрического или конического редуктора (4);

- выходная шестерня (10) цилиндрического или конического редуктора (4);

- вал (11) планетарного редуктора (5);

- солнечная шестерня (12);

- сателлиты (13);

- опорная часть (14) коронной шестерни;

- ведомая часть (15) коронной шестерни.

Далее со ссылками на фигуры описан один из предпочтительных вариантов исполнения заявляемого технического решения.

Электропривод трубопроводной арматуры с ручным дублером включает электродвигатель (1), содержащий вал (2) с соединенным с ним нормально замкнутым электромагнитным тормозом (3), предпочтительно цилиндрический редуктор (4), планетарный редуктор (5), червячный вал (6) с жестко закрепленным на нем штурвалом (7) ручного дублера и выходной вал электропривода (8).

Цилиндрический редуктор (4) содержит входную шестерню (9), жестко закрепленную на валу (2) электродвигателя (1), и выходную шестерню (10), кинематически соединенную с входной шестерней (9).

Планетарный редуктор (5) включает вал (11) с жестко закрепленной на нем выходной шестерней (10) цилиндрического редуктора (4), солнечную шестерню (12), жестко закрепленную на валу (11) планетарного редуктора (5), сателлиты (13), кинематически соединенные с солнечной шестерней (12), и коронную шестерню.

Коронная шестерня разделена в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала (11) планетарного редуктора (4), на опорную часть (14), включающую внутреннюю сторону, кинематически соединенную с сателлитами (13), и внешнюю сторону, и ведомую часть (15), кинематически соединенную с сателлитами (13).

Выходной вал (8) электропривода, жестко соединен с ведомой частью (15) коронной шестерни. В предпочтительном варианте жесткое соединение выходного вала (8) электропривода и ведомой части (15) коронной шестерни может быть реализовано посредством выполнения данных звеньев кинематической цепи одной единой деталью. Так на представленной фигуре ведомая часть (15) коронной шестерни является верхней (относительно изображения) частью единой детали для кинематического соединения с сателлитами (13), а выходной вал (8) является нижней (относительно изображения) частью единой детали. Червячный вал (6) кинематически соединен с внешней стороной опорной части (14) коронной шестерни с возможностью самоторможения.

Количество зубьев внутренней стороны опорной части (14) коронной шестерни и ведомой части (15) коронной шестерни связаны следующим соотношением:

,

где Z_в - количество зубьев ведомой части (15) коронной шестерни;

Z ₀ - количество зубьев внутренней стороны опорной части (14) коронной шестерни;

N - количество сателлитов (13);

k - целочисленный коэффициент;

при этом целочисленный коэффициент k больше либо равен единице.

Заявляемое техническое решение работает следующим образом.

При автоматическом режиме работы и включении электродвигателя (1) происходит растормаживание нормально замкнутого электромагнитного тормоза (2) и осуществляется передача крутящего момента через вращающийся вал (3) электродвигателя (1) на жестко закрепленную на нем входную (9) шестерню предпочтительно цилиндрического редуктора (4), на выходную (10) шестерню цилиндрического редуктора (4), за счет их кинематического соединения, и на вал (11) планетарного редуктора (5) за счет жесткого соединения выходной шестерни (10) цилиндрического редуктора (4) и вала (11) планетарного редуктора (5). За счет жесткого закрепления солнечной шестерни (12) на валу (11) планетарного редуктора (5) крутящий момент передается через солнечную шестерню (12) на кинематически соединенные с ней сателлиты (13) и далее на ведомую часть (15) коронной шестерни и, за счет жесткого соединения выходного вала (8) и ведомой части (15) коронной шестерни, на выходной вал (8) электропривода для регулирования работы запорной арматуры. При данном режиме работы опорная часть (14) коронной шестерни является опорным звеном планетарного редуктора (5) за счет самоторможения червячного вала (6), реализованного, в частности, большим передаточным отношением в кинематическом соединении червячного вала (6) и внешней стороны опорной части (14) коронной шестерни, тем самым осуществляется разделение кинематических цепей разных режимов работы, предотвращается вращение червячного вала (6) и дополнительное истирание деталей электропривода с потерей мощности и возникновения люфта, таким образом, повышается надежность электропривода.

При таком режиме работы передаточное отношение цилиндрического редуктора (4) является равным , где Z₂ - количество зубьев на выходной шестерне (10) цилиндрического редуктора (4), Z₁ - количество зубьев на входной шестерне (9) цилиндрического редуктора (4). При выполнении роли опорного звена опорной частью (14) коронной шестерни планетарный редуктор (5) имеет передаточное отношение равное , где Z₀ - количество зубьев на внутренней стороне опорной части (14) коронной шестерни планетарного редуктора (5), Z_с - количество зубьев на солнечной шестерне (12) планетарного редуктора (5). Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает общее передаточное отношение электропривода в автоматическом режиме работы, выражаемое формулой:

,

где U_эд - передаточное отношение при управлении электроприводом электродвигателем (1), т.е. в автоматическом режиме работы;

Z ₂ - количество зубьев на выходной шестерне (10) цилиндрического редуктора (4);

Z ₁ - количество зубьев на входной шестерне (9) цилиндрического редуктора (4);

Z ₀ - количество зубьев внутренней стороны опорной части (14) коронной шестерни;

Z _с - количество зубьев солнечной шестерни (12) планетарного редуктора (5);

N - количество сателлитов (14) планетарного редуктора (5).

При ручном режиме работы и вращении штурвала (7) ручного дублера, жестко закрепленного на червячном валу (6), осуществляется передача крутящего момента на червячный вал (6) и кинематически соединенную с ним внешнюю сторону опорной части (14) коронной шестерни планетарного редуктора (5). За счет кинематического соединения внутренней стороны опорной части (14) коронной шестерни с сателлитами (13) передача крутящего момента осуществляется через сателлиты (13) на ведомую часть (15) коронной шестерни и, за счет жесткого соединения выходного вала (8) и ведомой части (15) коронной шестерни, на выходной вал (8) электропривода для регулирования работы запорной арматуры. При данном режиме работы солнечная шестерня (12) является опорным звеном планетарного редуктора (5) за счет работы нормально замкнутого электромагнитного тормоза (2), соединенного с валом (2) электродвигателя (1) и предотвращающего его вращение и передачу крутящего момента через планетарный редуктор (5) и цилиндрический редукторы (4) на электродвигатель (1), предотвращая возникновение на нем нагрузки, «опрокидывание» потока мощности, повреждение электродвигателя (1) и дополнительное истирание деталей электропривода, осуществляя разделение кинематических цепей разных режимов работы, таким образом повышается надежность электропривода.

При таком режиме работы передаточное отношение между кинематически соединенными червячным валом (6) и внешней стороной опорной части (14) коронной шестерни равно , где Z_ч2 - количество зубьев червячного вала (6), Z_ч1 - количество заходов червячного вала (6). При выполнении роли опорного звена солнечной шестерней (12) планетарный редуктор (5) имеет передаточное отношение где Z_с - количество зубьев на солнечной шестерне (12) планетарного редуктора (5), Z₀ - количество зубьев на внутренней стороне опорной части (14) коронной шестерни. Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает общее передаточное отношение электропривода в ручном режиме работы, выражаемое формулой:

,

где U_рд - передаточное отношение при управлении электроприводом штурвалом (7) ручного дублера, т.е. в ручном режиме;

Z _ч2 - количество зубьев червячного вала (6);

Z _ч1 - количество заходов червячного вала (6);

Z _с - количество зубьев солнечной шестерни (12) планетарного редуктора (5);

Z ₀ - количество зубьев внутренней стороны опорной части (14) коронной шестерни;

Z _в - количество зубьев ведомой части (14) коронной шестерни.

В соответствии с заявляемым соотношением количества зубьев ведомой (15) части и внутренней стороны опорной (14) части коронной шестерни, равным:

,

где Z_в - количество зубьев ведомой части (15) коронной шестерни;

Z ₀ - количество зубьев внутренней стороны опорной части (14) коронной шестерни;

N - количество сателлитов (13);

k - целочисленный коэффициент;

при этом целочисленный коэффициент k больше либо равен единице, разница в количестве зубьев будет равна:

.

Примеры, значения разности в количестве зубьев между ведомой (15) частью и внутренней стороной опорной (14) части коронной шестерни представлены в таблице 1.

Таблица 1.

N k 2 1 ±2 2 ±4 3 ±6 4 ±8 3 1 ±3 2 ±6 3 ±9 4 ±12 4 1 ±4 2 ±8 3 ±12 4 ±16

При эксплуатации электропривода с выше представленными параметрами было отмечено повышение надежности электропривода, обусловленного предотвращением «опрокидывания» потока мощности при смене режимов работы, а также при любой противодействующей нагрузке со стороны запорной арматуры при работе в ручном режиме и снятия напряжения с электропривода за счет, в частности, заявляемой конструкции, исполнения коронной шестерни, а также заявляемого соотношения, связывающего количество зубьев внутренней стороны опорной части (14) коронной шестерни и ведомой части (15) коронной шестерни, обеспечивающих разделение кинематических цепей. Кроме того, заявляемое соотношение обеспечивает разное передаточное отношение электропривода при разных режимах работы, а также за счет заявляемого разделения коронной шестерни позволяет увеличить передаточное отношение редуктор, повышая надежность работы электропривода.

Заявляемое техническое решение может применяться для регулирования запорной арматуры при трубопроводной транспортировке жидких продуктов и рабочих сред в тепловой и атомной энергетике, химической и нефтегазовой отраслях, инженерных сетях тепло- и водоснабжения и т.д. Решение характеризуется повышенной надежностью.

Представленные фигуры, описание конструкции и использования электропривода трубопроводной арматуры с ручным дублером не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения в объеме заявляемой формулы.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к электрическим средствам для комбинированного управления электрифицированной запорной и регулирующей арматурой с помощью электродвигателя и вручную. Электропривод трубопроводной арматуры с ручным дублером включает электродвигатель, содержащий вал с соединенным с ним нормально замкнутым электромагнитным тормозом, цилиндрический или конический редуктор, содержащий входную шестерню, жестко закрепленную на валу электродвигателя, и выходную шестерню, кинематически соединенную с входной шестерней, планетарный редуктор, включающий вал с жестко закрепленной на нем выходной шестерней цилиндрического или конического редуктора, солнечную шестерню, жестко закрепленную на валу планетарного редуктора, сателлиты, кинематически соединенные с солнечной шестерней, и коронную шестерню, разделенную в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала планетарного редуктора, на опорную часть, включающую внутреннюю сторону, кинематически соединенную с сателлитами, и внешнюю сторону, и ведомую часть, кинематически соединенную с сателлитами, червячный вал с жестко закрепленным на нем штурвалом ручного дублера, кинематически соединенный с внешней стороной опорной части коронной шестерни с возможностью самоторможения, и выходной вал электропривода, жестко соединенный с ведомой частью коронной шестерни, при этом количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни и ведомой части коронной шестерни связаны следующим соотношением: ,

где Z_в - количество зубьев ведомой части коронной шестерни; Z₀ - количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни; N - количество сателлитов; k - целочисленный коэффициент; при этом целочисленный коэффициент k больше либо равен единице. Изобретение направлено на повышение надежности электропривода за счет разделения кинематических цепей управления запорной арматурой от электродвигателя и ручного дублера. 1 ил., 1 табл.

Электропривод трубопроводной арматуры с ручным дублером, включающий электродвигатель, содержащий вал с соединенным с ним нормально замкнутым электромагнитным тормозом, цилиндрический или конический редуктор, содержащий входную шестерню, жестко закрепленную на валу электродвигателя, и выходную шестерню, кинематически соединенную с входной шестерней, планетарный редуктор, включающий вал с жестко закрепленной на нем выходной шестерней цилиндрического или конического редуктора, солнечную шестерню, жестко закрепленную на валу планетарного редуктора, сателлиты, кинематически соединенные с солнечной шестерней, и коронную шестерню, разделенную в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала планетарного редуктора, на опорную часть, включающую внутреннюю сторону, кинематически соединенную с сателлитами, и внешнюю сторону, и ведомую часть, кинематически соединенную с сателлитами, червячный вал с жестко закрепленным на нем штурвалом ручного дублера, кинематически соединенный с внешней стороной опорной части коронной шестерни с возможностью самоторможения, и выходной вал электропривода, жестко соединенный с ведомой частью коронной шестерни, при этом количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни и ведомой части коронной шестерни связаны следующим соотношением:

,

где Z_в – количество зубьев ведомой части коронной шестерни;

Z ₀ – количество зубьев внутренней стороны опорной части коронной шестерни;

N – количество сателлитов;

k – целочисленный коэффициент;

при этом целочисленный коэффициент k больше либо равен единице.