Устройство ограничения хода шпинделя

Полезная модель относится к области промышленности, и может быть использована в любых агрегатах и узлах, имеющих вал (шток/шпиндель) и привод (ручной или механизированный), например в трубопроводной арматуре на трубопроводах, транспортирующих природный газ, сжиженный углеводородный газ, жидкие нефтепродукты, пар, воду и другие среды. Кроме того, ограничитель хода шпинделя может применяться, например, для шаровых кранов, затворов и других технических изделий, где необходимо ограничение рабочего хода, в частности на 90˚.
Известен флажковый ограничитель, выполненный в виде шайбы (http://armtorg.ru/images/news/11022011/6.jpg ). Недостатком такого ограничителя является необходимость применения отдельного элемента, требующего точной вырубки и дополнительной операции при изготовлении и монтаже, а также образование просечки (отход вырубной операции).
Известен ограничитель в виде отлитых выступов, размещенных на штоке (http://valtec.ru/document/article/ball_valves.shtml ). Недостатком ограничителя является необходимость дополнительной операции для изготовления двух выступов, большая металлоемкость и энергоемкость.
Известно устройство для ограничения хода шпинделя (патент на полезную модель RU 163196, дата публикации 10.07.2016г.), содержащее рукоятку, выполненную с выступом и зафиксированную посредством плоской шайбы и гайки на шпинделе, при этом горловина шпинделя выполнена с пазом, образующим между его торцевыми поверхностями угол 90°, при этом выступ на рукоятке расположен на уровне упомянутого паза. Недостатками данного устройства является необходимость дополнительной операции при изготовлении паза на горловине и выступа на рукоятке, требующей достаточной точности, а также отсутствие выполнения функции ограничения хода при снятой рукоятке.
Кроме того, проблемой при работе устройств, требующих ограничения рабочего хода, является часто неправильная эксплуатация, при которой шпиндель (шток, вал) поворачивают ошибочно против рабочего хода, в результате чего устройства, ограничивающие рабочий ход шпинделя не выдерживают приложенной нагрузки и выходят из строя (разрушаются). Поэтому перед разработчиками стоит задача создания устройств ограничения хода шпинделя (штока, вала), выдерживающих как можно большую нагрузку.
В качестве прототипа полезной модели принято устройство для ограничения хода шпинделя по патенту RU 163196.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства ограничения хода шпинделя, выдерживающего большую нагрузку и при этом имеющего уменьшенную металлоемкость в сравнении с другими ограничителями.
Техническим результатом полезной модели является увеличение нагрузки на устройство ограничения хода шпинделя при уменьшении его металлоемкости.
Дополнительным техническим результатом полезной модели является ограничение хода шпинделя в отсутствии рукоятки.
Для достижения технического результата в устройстве ограничения хода шпинделя, содержащем корпус с отверстием и шпиндель, установленный в корпус таким образом, что часть шпинделя выступает из отверстия корпуса и расположена выше отверстия, согласно полезной модели корпус имеет сектор, частично перекрывающий сверху его отверстие, шпиндель выполнен с возможностью поворота до соприкосновения с боковой поверхностью указанного сектора.
В частном случае для достижения технического результата корпус имеет два сектора, частично перекрывающих сверху его отверстие, угол между боковыми поверхностями двух секторов корпуса составляет 90 градусов, секторы корпуса выполнены фрезерованием.
Также для достижения технического результата шпиндель имеет не менее одного среза для соприкосновения с боковой поверхностью сектора корпуса.
Для достижения технического результата в устройстве ограничения хода шпинделя необходимо и достаточно только две детали: непосредственно сам шпиндель и корпус (горловина шпинделя) с отверстием под шпиндель, при этом корпус имеет не менее одного сектора (в частном случае выполнения – два сектора), частично перекрывающего сверху отверстие корпуса.
При таком изготовлении устройства ограничения хода шпинделя не остается лишних отходов металла, отсутствуют дополнительные детали, наличие которых увеличивает количество соединений и, следовательно, люфтов, что приводит в конечном итоге к уменьшению металлоемкости устройства при более высокой точности работы ограничителя. Выполнение сектора (секторов) на корпусе шпинделя позволяет ограничивать угол поворота шпинделя за счет соприкосновения указанного сектора (секторов) с плоскостью (плоскостями) шпинделя. Плоскость (плоскости) шпинделя получены в результате срезания участков выступающей над корпусом части шпинделя. При повороте шпинделя до его соприкосновения с боковой поверхностью сектора (секторов) корпуса создается площадь контакта шпинделя с сектором (секторами) корпуса достаточная для выдерживания большей нагрузки по сравнению с другими устройствами ограничения хода шпинделя, а именно в сравнении с прототипом, который разработан также заявителем. Выдерживаемая нагрузка определена расчетным путем и подтверждена проведенными экспериментами.
Кроме того, для работы устройств, в которых необходимо ограничение хода шпинделя, обычно применяются рукоятки, присоединенные к шпинделю. А поскольку в ограничении рабочего хода шпинделя заявляемой полезной модели участвует только сам шпиндель и корпус, становится возможным ограничение хода и в отсутствии рукоятки.
Патентные исследования не выявили технических решений, характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что указанная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Кроме того, предлагаемая полезная модель может быть изготовлена в промышленных масштабах с использованием стандартного оборудования и найдет применение, в частности, в трубопроводной арматуре на трубопроводах, транспортирующих природный газ, сжиженный углеводородный газ, жидкие нефтепродукты, пар, воду и другие среды, кроме того, ограничитель хода шпинделя может применяться, например, для шаровых кранов, затворов и других технических изделий, где необходимо ограничение рабочего хода, в частности на 90˚, то есть характеризуется критерием «промышленная применимость».
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами и фотографиями, где на фиг. 1 изображено устройство ограничения хода шпинделя, вид спереди, на фиг. 2 - устройство ограничения хода шпинделя, вид сверху, на фиг. 3 — устройство ограничения хода шпинделя, общий вид, на фиг. 4 – устройство ограничения хода шпинделя, пример применения для шарового крана, на фиг. 5 - устройство ограничения хода шпинделя, фотография в сборке, на фиг. 6 - устройство ограничения хода шпинделя, фотография корпуса и шпинделя.
Устройство ограничения хода шпинделя содержит шпиндель 1 и корпус 2 отверстием под шпиндель 1. Корпус шпинделя называют также горловиной шпинделя 1. Шпиндель 1 выполнен монолитным. Нижняя часть шпинделя 1 расположена в отверстии корпуса 2. Верхняя часть шпинделя 1 выступает из отверстия корпуса 2 и расположена выше отверстия. Корпус 2 имеет сектор 3, частично перекрывающий сверху отверстие корпуса 2. Сектор 3 может быть выполнен фрезерованием или другим способом механической обработки. Шпиндель 1 выполнен с возможностью поворота до соприкосновения с боковой поверхностью 4 указанного сектора 3. Шпиндель 1 выполнен в форме цилиндра, при этом может иметь, как минимум, один срезанный участок 5. Срез 5 выполнен по всей высоте части шпинделя 1, выступающей над отверстием корпуса 2. Срез 5 шпинделя 1 выполнен таким образом, что при повороте шпиндель 1 соприкасается указанным срезом 5 с боковой поверхностью 4 сектора 3 корпуса 2.
Нижняя часть шпинделя 1 может находиться полностью внутри отверстия корпуса 2, либо выступать со стороны нижней части корпуса 2.
Срезанный участок 5 шпинделя 1 может быть получен фрезерованием или другим способом механической обработки.
В частном случае выполнения корпус 2 может иметь два сектора 3, частично перекрывающих сверху отверстие корпуса 2. В этом случае шпиндель 1 должен иметь два срезанных участка 5 для соприкосновения с боковыми поверхностями 4 секторов 3.
Для устройств, в которых необходимо ограничивать рабочий ход шпинделя на 90˚, угол между боковыми поверхностями двух секторов 3 корпуса 2 составляет 90˚.
Площадь перекрытия поверхностей 4 секторов 3 корпуса 2 и плоскостей 5 шпинделя 1 зависит от ширины перекрытия и высоты сектора 3. Ширина перекрытия зависит от ширины шпинделя 1 и диаметра отверстия корпуса 2, который равен диаметру шпинделя 1.
С уменьшением ширины шпинделя 1 и увеличением диаметра отверстия корпуса 2 увеличивается ширина перекрытия.
С увеличением высоты сектора 3 возрастает вероятность разрушения шпинделя 1. Поэтому выбор геометрии устройства ограничения хода шпинделя осуществляется конструктивно, расчетным путем, однако необходимо обеспечить выполнение следующих условий:
-при превышении максимально допустимого момента кручения должны срезаться выступающие над отверстием участки секторов 3 корпуса 2;
-шпиндель 1 должен оставаться в рабочем состоянии, не подвергаться пластической деформации.
Пример выполнения полезной модели.
В качестве примера выполнения полезной модели приведено устройство ограничения хода шпинделя шарового крана.
Устройство ограничения хода шпинделя содержит шпиндель 1 и корпус 2 с отверстием под шпиндель 1. Шпиндель 1 выполнен монолитным. Нижняя часть шпинделя 1 расположена в отверстии корпуса 2. Верхняя часть шпинделя 1 выступает из отверстия корпуса 2 и расположена выше отверстия. Корпус 2 имеет сектор 3, частично перекрывающий сверху отверстие корпуса 2. Шпиндель 1 выполнен с возможностью поворота до соприкосновения с боковой поверхностью 4 указанного сектора 3. Шпиндель 1 выполнен в форме цилиндра, при этом имеет срезанный участок 5. Срез 5 выполнен по всей высоте части шпинделя 1, выступающей над отверстием корпуса 2. Срез 5 шпинделя 1 выполнен таким образом, что при повороте шпиндель 1 соприкасается указанной срезанной плоскостью 5 с боковой поверхностью 4 сектора 3 корпуса 2.
Срезанный участок 5 шпинделя 1 и сектор 3 корпуса 2 получены фрезерованием.
На шпинделе 1 имеется резьба 6 под гайку, которая фиксирует ручку 7.
Устройство ограничения хода шпинделя работает следующим образом (на примере устройства ограничения хода шпинделя шарового крана).
Шпиндель 1 устанавливают в отверстие корпуса 2 с нижней стороны корпуса 2. При этом нижняя часть шпинделя 1 оказывается в отверстии корпуса 2, а верхняя часть выступает из отверстия и расположена выше отверстия корпуса 2.
При повороте шпиндель 1 (в приведенном примере поворот шпинделя осуществляется с помощью рукоятки 7, кроме этого, возможно применение любых устройств для приведения шпинделя в движение: как ручных, так и механизированных)  упирается в плоскость 4 сектора 3 корпуса 2, сектор 3 при этом выполнен выше уровня отверстия корпуса 2 и частично перекрывает сверху отверстие корпуса 2. За счет перекрытия сектора 3 корпуса 2 с плоскостью 5 шпинделя 1, происходит ограничение угла поворота шпинделя 1 относительно корпуса 2 в пределах 90˚. При этом плоскость 5 шпинделя 1 получена срезанием участка выступающей над отверстием корпуса 2 части шпинделя 1. В результате поворота шпинделя 1 его верхняя часть, находящаяся над отверстием корпуса 2, в крайнем положении оказывается плотно прижатой к сектору 3 корпуса 2. Площадь контакта шпинделя 1 с сектором 3 корпуса 2, зависящая от ширины перекрытия шпинделя 1 с сектором 3 корпуса 2 и высоты сектора 3, выбирается таким образом, чтобы устройство ограничения хода шпинделя могло выдерживать большую нагрузку, в том числе нагрузку при ошибочном повороте шпинделя против рабочего хода.
Применение в заявленном устройстве корпуса, имеющего один или два сектора, и шпинделя, установленного в корпус таким образом, что при повороте шпиндель соприкасается с боковой поверхностью указанного сектора (или секторов), увеличивает возможную приложенную нагрузку на устройство в сравнении с прототипом полезной модели, а также уменьшает металлоемкость и повышает точность работы устройства.