УСТРОЙСТВО ТОКОСЪЕМНОЕ ЗАЩИТНОЕ

Устройство токосъемное - защитное относиться к области защиты деталей и узлов крупных вращающихся машин от электроэрозионного разрушения, в частности для заземления валов (отвода электричества на «землю») паровых и газовых турбин, насосов, турбокомпрессоров и применяется в тяжелой и газовой отраслях промышленности, энергетике.
Известен аналог данной полезной модели по функциональному назначению:
Токосъемное устройство, пр-ва ЗАО «Энерготех» (рис.1, размещен - ). Данное устройство используется для предохранения узлов регулирования, подшипников и других деталей паровой турбины от электроэрозии.
Описание устройства и опыт его применения изложены в. статье - Токосъемное устройство для заземления вала паровых турбин, журнал «Энергетик», №1 за 2005 г.
Устройство состоит из двух симметричных щеткодержателей (поз.1), закрепляемых при помощи болтов (поз.2) к кронштейну (поз.3). Кронштейны при помощи болтов (поз.4) крепятся к торцу корпуса подшипника или парового уплотнения (поз.5), в одном из сечений перпендикулярном оси вала. Кронштейны с закрепленными щеткодержателями располагаются между корпусами узлов турбины.
Основание щеткодержателя (поз.1) двумя болтами (поз.2) фиксируется на кронштейне (поз.3) в зоне продольной прорези (поз.7), которая выполнена перпендикулярно валу (поз.8) турбины. Эта прорезь служит направляющей, по которой при отжатых болтах выводиться из работы щеткодержатель. После выполнения операции технического обслуживания щеткодержатель возвращается в исходное положение.
На каждом щеткодержателе расположены по две электрографитные щетки Г3, габаритные размеры - 10×25×40 (поз.9). Прижатия щеток к валу осуществляется пружинами (поз.10). Фиксатор (поз.6) регулирует сжатие пружины в диапазоне от 0 до 30 мм, вращением ручки (поз.11).
Существенными признаками токосъемного устройства пр-во ЗАО «Энерготех» являются:
- Кронштейн и щеткодержатель располагаются друг за другом в продольном направлении оси вала в зазоре между корпусами узлов машины;
- Конструкция щеткодержателя выполнена в виде единого модуля, объединяющего в себе узел крепления щетки и узел настройки, что ведет к необходимости демонтажа всего щеткодержателя при проведении операции замены щеток;
- Кронштейн крепиться с торца корпуса узла машины;
- Узел прижатия щеток располагается непосредственно у самих щеток в месте контакта с валом (в зоне повышенных температур);
- В состоянии монтажной готовности, узлы по настройке, техническому обслуживанию и замены щеток располагаются с торца корпуса (например - подшипника) в зазоре между узлами машины, что определяет их труднодоступность и сложность обслуживания при работе турбины;
- Узел прижатия щеток электрически не изолирован от самих щеток;
- Узел прижатия щеток имеет открытое исполнение и не выделен в отдельный модуль, что ведет к отсутствию защиты от попадания посторонних предметов (грязи) и «случайного» замыкания токоведущих частей на корпус машины;
- Узел прижатия щеток электрически изолирован от щеткодержателя и кронштейна. Данный признак совпадает с существенными признаками заявляемой полезной модели;
- Регулировка сжатия пружины. Данный признак совпадает с существенными признаками заявляемой полезной модели;
- Пружина располагается непосредственно у щетки в месте контакта с валом;
- Размер щеткодержателя в продольном направлении турбины не менее 35 мм.
Причины, препятствующие получению технического результата, который обеспечивается заявленной полезной моделью:
1. Взаимное расположение кронштейна и щеткодержателя, а так же крепление кронштейна с торца корпуса машины препятствует получению малого продольного размера (относительно оси вала) щеткодержателя в месте контакта щетки с валом, и не может обеспечить токосъем с открытых участков поверхностей вала, находящихся в труднодоступных местах - в зазорах (менее 35 мм) между корпусами узлов машины.
2. Конструкция щеткодержателя, выполненная в виде единого модуля, объединяющего в себе узел крепления щетки и узел настройки, а так же его расположение с торца корпуса в зазоре между узлами машины не обеспечивает:
- доступность к самой щетке и легкость ее замены во время эксплуатации машины при установке устройств, осуществляющих токосъем в труднодоступных местах;
- наглядность настройки и индикации, доступность технического обслуживания устройства во время эксплуатации машины.
Это приводит к необходимости демонтажа всего щеткодержателя при проведении операции замены щеток и технического обслуживания устройства.
3. Расположение узла прижатия непосредственно в месте контакта щеток; отсутствие модуля, конструктивно объединяющего функции по настройке, индикации, техническому обслуживанию и замене щеток в едином блоке; отсутствие соответствующих конструктивных элементов (шкалы, указатели и т.п.) не обеспечивают индикации усилия прижатия щетки и ее износа.
4. Размещение узла прижатия и других, взаимно перемещающихся, деталей непосредственно в зоне контакта щеток с валом, а также использование не теплостойких и не коррозионостойких материалов не обеспечивают возможности долговечной, надежной работы всего устройства при наличии повышенных температур (до +190°С) и повышенной влажности вследствие пропаривания из концевых уплотнений, наличия масла и пыли (грязи).
5. Отсутствие внешней электрической изоляции узла прижатия щеток не обеспечивает защиту персонала от «случайного» прикосновения и защиту от «случайного» замыкания токоведущих частей на корпус машины.
6. Крепление кронштейна с торца корпуса в зазоре между узлами машины не обеспечивает возможность монтажа устройства без снятия и дополнительной доработки корпуса узла машины (подшипник, паровое уплотнение, масло защитное кольцо подшипника).
Задачи, на решение которых направлена заявляемая полезная модель:
- Заземление валов крупных вращающихся машин, в том числе паровых и газовых турбин, турбокомпрессоров, насосов;
- Формирование надежного скользящего контакта щетки с открытыми участками поверхности вала, в частности, находящихся в труднодоступных местах - в зазорах между корпусами и узлами машины;
- Надежная работа токосъемного устройства в агрессивных условиях окружающей среды: температура до +190°С, пропаривание, наличие масляных паров и пыли;
- Возможность технического обслуживания щеток, их замены и регулировки усилия прижатия во время работы машины;
- Защита персонала от поражения электрическим током при техническом обслуживании устройства во время работы машины.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемой полезной моделью:
- малый продольный размер щеткодержателя в продольном направлении вала в месте контакта щетки с валом (не более 17 мм);
- токосъем с открытых участков поверхностей вала, находящихся в труднодоступных местах - в зазорах между корпусами и узлами машины;
- доступность самой щетки и легкость ее замены во время эксплуатации машины, в том числе, при установке устройств, осуществляющих токосъем в труднодоступных местах;
- регулировка усилия прижатия щеток во время работы машины;
- наглядность и доступность обслуживания блока настройки и индикации;
- плавная регулировка усилия прижатия щетки во всем диапазоне, начиная с 0 кгс;
- индикация усилия прижатия щетки;
- индикация износа щетки;
- температура использования устройства от 0° до +190°С;
- работоспособность и долговечность устройства при наличии масляных паров, пропаривания (влажности воздуха до 98% при температуре +190°С), пыли.
- электрическая изоляция токоведущих частей щеткодержателя от корпуса узлов вращающейся машины;
- электрическая изоляция токоведущих частей щеткодержателя от блока настройки и индикации;
- отсутствует необходимость доработки и демонтажа корпуса узлов машины при монтаже устройства, в том числе - маслозащитных колец, подшипников, концевых уплотнений цилиндров;
- ограничение хода щетки при ее полном износе, для предотвращения повреждений поверхности вала вращающихся машин.
Существенными признаками заявляемой полезной модели являются:
1. Устройство выполнено в виде отдельных конструктивных модулей (фигура 1): направляющая для хода щетки (поз.2); блок настройки и индикации (поз.1); кронштейн (поз.3) для крепления направляющей к корпусу вращающейся машины (поз.5) и регулировки его относительного положения.
2. Направляющая (поз.2) и блок настройки и индикации (поз.1) расположены вертикально друг относительно друга на одной оси, см. фигуру 1).
3. Направляющая выполнена из профильной трубы прямоугольного сечения (поз.2), имеющая длину гораздо большую, чем диагональ поперечного сечения. Стороны направляющей меньшего размера располагается параллельно оси вала (поз.6), см. фигуру 1.
4. В зазоре между корпусами (поз.5) узлов машины располагается только направляющая (поз.2) со щеткой (поз.7), см. фигуру 1.
5. Все функции по настройке, индикации, техническому обслуживанию и замены щетки объединены в блоке настройки и индикации, выполненного в виде цельного модуля, имеющего цилиндрическую форму.
6. Блок настройки и индикации (поз.1) вынесен из зоны контакта щетки (поз.7) с валом (поз.6) и в смонтированном состоянии устройства располагается над корпусами узлов турбины (поз.5) в зоне свободного доступа, см. фигуру 1.
7. Направляющая (поз.2) и блок настройки и индикации (поз.1) имеют разъемное резьбовое соединение, выполненное при помощи прижимной кольца (поз.8) и электроизоляционного фланца (поз.24), см. фигуру 2.
8. Связь токосъемной щетки (поз.7) с блоком настройки и индикации (поз.1) осуществляется при помощи штока (поз.9), которое образует со щеткой единое звено, см. фигуру 2.
9. Компенсация веса деталей, которые оказывают дополнительное давление на щетку (поз.7) и располагающиеся в блоке настройки и индикации (поз.1) осуществляется пружиной растяжения (поз.11), которая одним концом закреплена к штоку (поз.9), другим - к деталям направляющей (поз.2), см. фигуру 2.
10. Прижатие щетки осуществляется пружиной сжатия (поз.13), которая одним концом упирается в крышку блока настройки и индикации, другим в бортик полого цилиндра (поз.14) с внутренней резьбой, см. фигуру 3.
Цилиндр (поз.14) и стержень (поз.15) образуют кинематическую пару. Сжатие пружины (поз.13) регулируется перемещением цилиндра (поз.14) вокруг стержня (поз.15) с ответной резьбой. Давление пружины через полый цилиндр передается на стержень. Стержень (поз.15), толкатель (поз.12) и шпилька (поз.16) формируют твердое звено, см. фигуру 3. Толкатель (поз.12) передает давление от пружины сжатия на шток, см. фигуру 2.
11. Указатель силы прижатия щетки выполнен в виде шпильки-указателя (поз.20), ввернутой в шайбу (поз.19) и шкалы (поз 18), нанесенной на внешнюю сторону корпуса блока настройки и индикации. Шайба (поз.19) расположена между пружиной сжатия (поз.13) и бортиком цилиндра (поз.14). Шайба свободно вращается вокруг цилиндра (поз.14), при этом шпилька-указатель перемещается в вертикальной плоскости в прорези шкалы, фигура 3.
12. Неподвижность (вокруг своей оси) стержня (поз.15) обеспечивает шпилька (поз.16), которая упирается в прорезь шкалы износа щетки (поз.17) в корпусе блока настройки и индикации, см. фигуру 3.
13. Шпилька (поз.16) связана со щеткой через ряд деталей. При стирании щетки (поз.7), под действием пружины сжатия (поз.13), шпилька перемещается относительно шкалы износа щетки (поз.17) на корпусе блока настройки и индикации, фигура 2 и 3.
14. На конце штока (поз.9) жестко закреплена втулка упорная (поз.22) определенной длины, которая упирается в направляющую при полном износе щетки (поз.7), при этом ограничивая ход щетки, см. фигуру 2.
15. Все конструкционные детали полезной модели выполнены из нержавеющей стали.
16. Между втулкой упорной (поз.22) и механизмом настройки и индикации расположена электроизоляционная прокладка (поз.21), см. фигуру 2.
17. На внешнюю сторону направляющей (поз.2) надета теплостойкая, электроизоляционная, масло-бензостойкая силиконовая трубка (поз.23), см. фигуру 2.
18. Крепление щеткодержателя осуществляется через хомут (поз.10) на кронштейне (поз.3). Кронштейн крепиться к внешней части корпуса (поз.5) узлов турбины, см. фигуру 1 и 2.
Все перечисленные существенные признаки являются отличительными от признаков аналогичного устройства производства «Энерготех».
Совокупность признаков полезной модели, обеспечивающих получение заявленного технического результата:
1. Признаки №№1, 2, 3, 4 обеспечивают получение следующего технического результата:
- малый продольный размер щеткодержателя в направлении параллельном оси вала в месте контакта щетки с валом (не более 17 мм);
- токосъем с открытых участков поверхности вала, находящихся в труднодоступных местах - в зазорах между корпусами и узлами машины.
2. Признаки №№5, 6, 7, 8 обеспечивают получение следующего технического результата:
- легко доступность щетки при ее замене во время эксплуатации машины, в том числе, при установке устройств, осуществляющих токосъем в труднодоступных местах;
- регулировка усилия прижатия щеток во время работы машины;
- наглядность и доступность обслуживания блока настройки и индикации.
3. Признаки №№9, 10, 11, 12 обеспечивают получение следующего технического результата:
- плавная регулировка усилия прижатия щетки во всем диапазоне, начиная с 0 кгс;
- индикация усилия прижатия щетки.
4. Признаки №№12, 13 обеспечивают получение следующего технического результата:
- индикация износа щетки.
5. Признак №14 обеспечивает получение следующего технического результата:
- ограничение хода щетки при ее полном износе, для предотвращения повреждения поверхности вала вращающейся машины.
6. Признаки №№15, 17, 4, 5, 6 обеспечивают получение следующего технического результата:
- температура использования устройства от 0° до 190°С;
- работоспособность и долговечность устройства при наличии масляных паров, пропаривания (влажности воздуха до 98% при температуре 190°) в зоне контакта щетки, пыли.
7. Признак №17 обеспечивает получение следующего технического результата:
- электрическая изоляция токоведущих частей щеткодержателя от «случайного» замыкания токоведущих частей на корпуса узлов вращающейся машины и от «случайного» прикосновения персонала.
8. Признак №16, 7 обеспечивает получение следующего технического результата:
- электрическая изоляция токоведущих частей щеткодержателя от блока настройки и индикации.
9. Признак №18 обеспечивает получение следующего технического результата:
- отсутствует необходимость доработки и демонтажа корпусов узлов машины при монтаже устройства, в том числе - маслозащитных колец, подшипников, концевых уплотнений цилиндров.
Краткое описание чертежей
Фигура 1. Изображен в двух проекциях внешний вид заявляемой полезной модели - устройства токосъемного защитного, в рабочем состоянии на машине. Указаны основные конструктивные узлы устройства и их взаимное расположение.
На чертеже указаны следующие позиции;
1 - блок настройки и индикации;
2 - направляющая;
3 - кронштейн;
4 - заземляющий кабель;
5 - корпус узла машины;
6 - вал машины;
7 - щетка.
Фигура 2. Представлена форма выполнения связи между основными конструктивными модулями, обеспечивающая реализацию полезной модели.
На чертеже указаны следующие позиции;
1 - блок настройки и индикации;
2 - направляющая;
3 - кронштейн;
5 - корпус узла машины;
7 - щетка;
8 - прижимное кольцо;
9 - шток;
10 - хомут;
11 - пружина растяжения;
12 - толкатель;
16 - шпилька;
21 - электроизоляционная прокладка;
22 - упорная втулка;
23 - электроизоляционная трубка;
24 - электроизоляционный фланец.
Фигура 3. Представлена внутренняя конструкция блока настройки и индикации. Указаны основные детали и узлы, необходимые для реализации полезной модели.
На чертеже указаны следующие позиции;
1 - блок настройки и индикации;
13 - пружина сжатия;
14 - цилиндр;
15 - стержень;
16 - шпилька;
17 - шкала износа щетки;
18 - шкала усилия прижатия щетки;
19 - шайба;
20 - шпилька-указатель.
Фигура 4. Приведена схема работы токосъемного устройства.
На чертеже указаны следующие позиции;
1 - блок настройки и индикации;
2 - направляющая;
4 - заземляющий кабель;
7 - щетка;
8 - прижимное кольцо;
9 - шток;
11 - пружина растяжения;
12 - толкатель;
13 - пружина сжатия;
14 - цилиндр;
15 - стержень;
16 - шпилька;
17 - шкала износа щетки;
18 - шкала усилия прижатия щетки;
19 - шайба;
20 - шпилька-указатель.
21 - электроизоляционная прокладка;
22 - упорная втулка;
24 - электроизоляционный фланец.
Возможность получения в полезной модели заявленного технического результата подтверждается фигурами 2, 3, 4, на которых приведены конструктивные особенности данной модели.
Для реализации указанного назначения, данная полезная модель должна быть осуществлена в виде отдельных конструктивных модулей. Этими модулями являются направляющая (поз.2), блок настройки и индикации (поз.1) и кронштейн (поз.3), см. фигуру 1. Для доставки щетки (поз.7) к месту контакта с валом используется модуль - направляющая (поз.2), жестко закрепленная при помощи кронштейна (поз.3) к корпусу машины (поз.5), см. фигуру 2. Направляющая выполнена в виде профильной трубы прямоугольного сечения, тип - 30×15×1,0. Щетка в направляющей может свободно перемещаться вверх и вниз.
В смонтированном состоянии, непосредственно в зазоре между корпусами машины (поз.5), должна располагаться только направляющая (поз.2), см. фигуру 1. Направляющая располагается меньшей стороной (15 мм) параллельно оси вала машины.
Блок настройки и индикации должен в себе объединять функции по техническому обслуживанию щеток, их замены, регулировки усилия прижатия, наглядности во время работы машины. Он располагается на одной оси над направляющей (фиг.1). В смонтированном состоянии блок настройки и индикации (поз.1) должен располагаться над корпусами машины (поз.5). Внутренняя конструкция должна быть реализована, как изложено в описании полезной модели, фигура 3.
Крепление блока настройки и индикации к направляющей должно быть надежным и быстро разборным. Крепление может быть осуществлено в виде резьбового соединения - прижимного кольца и фланца (фиг.2).
Кронштейн может быть выполнен в виде уголка с хомутом для крепления направляющей. Кронштейн крепиться болтами к внешней поверхности корпуса машины (фиг.1).
Электрическая изоляция токоведущих частей щеткодержателя от корпусов узлов машины может быть осуществлена применением электроизоляционной трубки (поз.23), которая надевается на направляющую (поз.2), см. фигуру 2.
Защита персонала от поражения электрическим током при техническом обслуживании устройства во время работы машины может быть осуществлена, применением электроизоляционной прокладки (поз.21), фигура 2.
Надежная работа устройства при агрессивных условиях окружающей среды: температура до +190°С, наличие водяных и масляных паров может быть осуществлена применением нержавеющей стали для производства конструкционных деталей устройства и масло-, тепло-, влаго- стойких электроизоляционных материалов.
Работа щеткодержателя представлена на фигуре 4.