ПРИВОД ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ ТРУБОПРОВОДОВ

Предлагаемое техническое решение относится к приводам трубопроводной арматуры и предназначено для использования в качестве привода запорного устройства.
Устройствами-аналогами являются задвижки, состоящие из ручного привода в виде маховика, корпуса, крышки с отверстием и сальниковой камерой, шпинделем и запорным органом. (Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков «Справочник конструктора трубопроводной арматуры» - Л.: Машиностроение, 1987 г., с. 108).Недостатками этих устройств является невозможность обеспечения режима опускания шпинделя быстро - медленно, что обеспечивает меньшую нагрузку на элементы трубопроводной арматуры и, как следствие, наиболее эффективную, безопасную и надежную работу затвора.
8
Устройство-прототип (Патент РФ №144208 МПКF16K 3/02 Шиберная задвижка / А.И. Ефимова, И.В. Лопа, Е.В. Панченко, К.А. Туркин. Опубл. 10.08.2014. Бюл. №22.) содержит верхний корпус, крышку с отверстием, гайку винтовой передачи приводного механизма, шпиндель и запорный орган, расположенный в нижнем корпусе. Шпиндель имеет в верхней части резьбу, контактирующую с гайкой приводного механизма, а в нижней части -контактирующую с гайкой, встроенной в запорный орган. В верхней части шпинделя расположена стопорная шайба. Достоинством устройства-прототипа является обеспечение двухскоростного режима опускания шпинделя.
Недостатком этого технического решения является невозможность осуществления режима опускания задвижки с переменной скоростью для снижения нагрузки на элементы арматуры и существенного повышения надежности и безаварийности запорного устройства.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в реализации конструкции привода, обеспечивающего более эффективную, безаварийную и надежную работу затвора за счет плавного снижения скорости протекания потока рабочей среды через запорный орган, что позволяет устранить процессы вибрации и перекрывать части трубопровода без перепадов давления, способных разрушить трубопровод.
Поставленная задача достигается тем, что в привод запорной арматуры трубопроводов, содержащий запорный орган, расположенный в нижнем корпусе, верхний корпус, крышку с отверстием, ведомую гайку винтовой передачи и связанный с ней шпиндель приводного механизма, дополнительно введены ведущий ролик и неподвижный промежуточный винт с расположенным на нем цилиндрическим роликом, который подвижен относительно своей оси за счет двух типов резьбы: внутренней на самом ролике и наружной на неподвижном промежуточном винте, а ведомая гайка винтовой передачи и ведущий ролик выполнены в форме усеченных конусов, при этом гайка приводится во вращение от ведущего ролика через промежуточный цилиндрический ролик за счет трения.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого устройства, а на Фиг. 2показаны графики изменения давления в режиме с постоянной скоростью опускания шпинделя (кривая 1) и предлагаемом режиме с непрерывным уменьшением скорости (кривая 2), чем подтверждается, что в отличие от приводов с режимом постоянной скорости, в предлагаемом варианте перепад давления практически не изменяется во времени.
Привод задвижки (Фиг. 1) содержит конический ведущий ролик 1, ведомую коническую гайку 4 винтовой передачи приводного механизма в форме усеченного конуса, между которыми зажат промежуточный цилиндрический ролик 2, подвижный относительно своей оси за счет резьб: внутренней на самом ролике и наружной на неподвижном промежуточном винте 3, гайка винтовой передачи приводного механизма 4 закреплена на винтовом валу - шпинделе 5 с запорным органом (не показан). Ось промежуточного цилиндрического ролика 2 имеет угол наклона δ, равный половине угла конусности как ведущего ролика 1, так и ведомой конической гайки 4.
Устройство работает следующим образом. В момент подачи команды на закрытие затвора промежуточный ролик 2 находится в нижнем положении, при этом передаточное число привода равно единице. При вращении ведущего ролика 1 промежуточный ролик 2 за счет трения тоже начинает вращаться и приводит во вращение гайку 4 винтовой передачи приводного механизма. Одновременно с вращением промежуточный ролик 2 начинает перемещаться вверх по резьбе вдоль оси неподвижного промежуточного винта 3, вследствие этого передаточное число привода увеличивается пропорционально отношению текущих значений диаметров гайки 4 и ведущего ролика 1, при этом скорость вращения гайки 4 соответственно уменьшается, а крутящий момент на ней - возрастает. Гайка 4 закреплена в осевом направлении подшипниками и имеет возможность только вращательного движения, которое преобразуется в поступательное движение шпинделя 5, запорный орган (шибер) которого обеспечивает перекрытие рабочего потока, причем скорость опускания шибера при этом также уменьшается в передаточное число раз, а сила, перекрывающая трубопровод - увеличивается, что обеспечивает более безопасную и эффективную эксплуатацию как самого затвора, так и трубопровода.
Для обоснования эффективности предложенного технического решения, ниже приведены следующие расчеты.
Для горизонтальной линии тока жидкости справедливо уравнение Бернулли:
где ρ - плотность среды; V(t) - функция изменения скорости частиц во времени; P(t) - функция изменения давления в трубопроводе во времени.
Продифференцируем уравнение (1) во времени
Для несжимаемой жидкости согласно теореме о неразрывности струи для трубы переменного сечения имеем
где S(t) - функция изменения площади поперечного сечения во времени; Q - объемный расход жидкости (объем жидкости, проходящий через поперечное сечение за единицу времени).
Из уравнения (3) имеем
Подставляя (4) и (5) в правую часть (2) и интегрируя полученное уравнение на протяжении времени закрытия затвора Т, находим перепад давления ΔР, связанный с законом изменения площади поперечного сечения затвора во времени
Для шибера выражение для изменения площади поперечного сечения во времени при закрытии затвора имеет вид:
где r - радиус отверстия в шибере, м; ν - скорость опускания шпинделя, м/с; t - время опускания шпинделя, с.
Подставляя (7) в (6), получаем перепад давлений
0
0
0
На Фиг. 2 показаны полученные по формуле (8) изменения перепадов давления во времени для привода с постоянной скоростью опускания шпинделя ν (кривая 1) и с непрерывным уменьшением скорости от первоначального значения ν до значения 0,25 ν (кривая 2). Видно, что в отличие от односкоростных приводов перепад давления практически не растет во времени и составляет относительно малую величину.
Таким образом, в задвижке реализуется режим «быстро - медленно» непрерывного опускания шпинделя 5, что обеспечивает более эффективную, безаварийную и надежную работу затвора. Следует отметить, что в результате использования данного технического решения положительный эффект достигается без изменения конструкции самой задвижки.