ЭЛЕКТРОПРИВОД С РУЧНЫМ ДУБЛЕРОМ

Полезная модель относится к электроприводам, в частности к комбинированным средствам управления запорной арматурой (задвижками, клапанами, кранами и т.п.) с помощью электродвигателя и вручную, и может быть использовано на трубопроводах при транспортировке нефти и нефтепродуктов, в химической и нефтехимической отраслях, в системах промышленного и коммунального водоснабжения и водоотведения.
Известен электромоторный привод с ручным дублером RU 2103582, относящийся к приводам с механическим переключением привода с электрического на ручное управление и наоборот. Привод выполнен на основе червячного редуктора, в котором червячный вал снабжен скользящей двухсторонней кулачковой муфтой для поочередного принудительного зацепления либо с кулачками зубчатого колеса, связанного с валом электродвигателя, либо с кулачками маховика ручного дублера. Муфта может перемещаться вдоль червячного вала либо с помощью внешнего валика кулачкового механизма, либо при воздействии на него выступа на зубчатом колесе электродвигателя. Основным недостатком привода является использование червячной передачи, имеющей низкий кпд (менее 50%) и большие габариты.
Известен электропривод с ручным дублером RU 2239116, выполненный на основе редуктора с промежуточными телами качения (редуктор с ПТК). Входной вал редуктора кинематически связан с валом электродвигателя посредством первичного редуктора, представляющего собой шестерню на валу двигателя и зубчатое колесо с торцевыми зубьями на входном валу редуктора. Ручной дублер включает вал и рукоятку для его вращения и снабжен средством для принудительного соединения вала ручного дублера с входным валом редуктора. Средство принудительного соединения представляет собой торцевые кулачки на соединяемых валах, зацепляющиеся при осевом перемещении вала ручного дублера. Возврат ручного дублера в исходное положение происходит за счет взаимодействия двух полумуфт (подвижной и неподвижной) с криволинейными кулачками. Указанный привод имеет более высокий кпд (достигающий 80%), чем предыдущий, обусловленный применением редуктора с промежуточными телами качения, а также значительно меньшие габариты. Однако редуктор с ПТК имеет невысокую надежность, и является достаточно сложным и дорогим.
За прототип выберем электропривод с ручным дублером по патенту RU 56542. Этот привод выполнен также на базе редуктора с ПТК и отличается от предыдущего только компоновкой основных узлов. Привод содержит электродвигатель, редуктор с промежуточными телами качения, ручной дублер и элемент механического переключения привода с электрического управления на ручное. Входной вал редуктора кинематически связан с валом электродвигателя. Переключение привода производится посредством принудительного соединения вала ручного дублера с валом двигателя. Устройство соединения представляет собой зубчатое колесо, посаженное на вал ручного дублера и имеющее возможность осевого перемещения вместе с валом. При осевом перемещении это зубчатое колесо входит в зацепление с колесом, посаженным на валу электродвигателя. На валу ручного дублера установлена пружина сжатия, возвращающая вал ручного дублера в исходное выключенное положение. Привод обладает теми же недостатками, что и предыдущий, которые обусловлены сложностью и дороговизной используемого редуктора с ПТК и его невысокой надежностью.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение нагрузочной способности привода в тех же габаритах, повышение кпд и надежности.
Для достижения указанного результата электропривод, как и прототип, содержит электродвигатель, ручной дублер, редуктор и элемент механического переключения привода с электрического управления на ручное. В отличие от прототипа редуктор привода выполнен цилиндрическим с эксцентриково-циклоидальным зацеплением колес, меньшее из которых имеет один зуб. Рабочие участки зуба в любом торцовом сечении очерчены дугами эксцентрично смещенных окружностей. Рабочие участки зубьев большего колеса в тех же торцовых сечениях очерчены участками циклоидальных кривых, сопрягающихся с эксцентрично смещенными окружностями. Эксцентриково-циклоидальное зацепление колес описано в статье (Становской и др. Новый вид зацепления колес с криволинейными зубьями. Справочник. Инженерный журнал №9, 2008, стр.34-39) а также в патенте RU 2338105 и международной заявке WO 2009/008767. Оно характеризуется тем, что при малых габаритах колес может обеспечить высокое передаточное отношение в одной ступени и высокую нагрузочную способность.
Эксцентриково-циклоидальное зацепление имеет два варианта конструктивного воплощения: в виде зацепления колес с винтовыми криволинейными зубьями или зацепления составных колес. Составные колеса образованы жестко скрепленными одинаковыми венцами, повернутыми друг относительно друга.
В одном из вариантов реализации электропривода элемент механического переключения привода с электрического управления на ручное выполнен в виде подпружиненной двусторонней шлицевой муфты, имеющей возможность осевого перемещения для соединения входного вала редуктора с валом электродвигателя или с валом ручного дублера.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами, где на фиг.1 приведен осевой разрез привода с редуктором из составных колес. На фиг.2 показан вид на зацепление колес этого редуктора. На фиг.3 показано зацепление колес с винтовыми криволинейными зубьями, используемое в другом варианте электропривода.
Электропривод содержит электродвигатель 1. В данном конкретном варианте конструкции привода использован двигатель с полым валом 2, посаженным на подшипниках 3 в корпусе привода. Внутри вала двигателя проходит входной вал 4 редуктора 5. Входной вал 4 редуктора выполнен за одно целое с однозубым цилиндрическим колесом 6. Это колесо составлено из 6 одинаковых прямозубых венцов 7, повернутых друг относительно друга на равные углы и жестко скрепленных друг с другом. Профиль зуба каждого из венцов 7 очерчен окружностью 8, эксцентрично смещенной относительно оси вращения колеса 001 (см. фиг.2). В конкретной конструкции жесткое крепление венцов 7 обеспечено изготовлением их из одной заготовки в виде единой детали, представляющей собой коленчатый вал с 6 равномерно разнесенными по окружности коленами. Входной вал 4 редуктора установлен на подшипниках 9 в корпусе привода и на подшипниках 10 в полом вале 2 двигателя 1. Второе колесо 11 редуктора 5 составлено из венцов 12, жестко скрепленных между собой шпильками 13. Каждый из венцов 12 имеет прямые зубья 14, профили которых в торцовом сечении очерчены циклоидальной кривой 15 (см. фиг.2). Следует отметить, что форму указанных кривых могут иметь только рабочие участки зубьев колес 6 и 11. Остальные участки зубьев могут иметь любую непересекающуюся друг с другом форму.
Входной вал 4 редуктора 5 соединяется с валом электродвигателя 2 с помощью муфты 16, имеющей двусторонние шлицы 17 и 18, входящие в зацепление со шлицами 19 внутри полого вала 2 и шлицами 20 на входном валу 4 редуктора 5. Привод снабжен ручным дублером, который представляет собой рукоятку 21 с валом 22, который выполнен с шестигранным отверстием 23 для соединения с соответствующим шестигранником на торце входного вала 4 редуктора 5. Для того чтобы при соединении вала 22 ручного дублера с валом 4 редуктора последний не был связан с электродвигателем, муфта 16 выступает над торцом вала 4 и имеет возможность продольного перемещения. При посадке рукоятки 21 с валом 22 гнездом 23 на шестигранник в торце вала 4 муфта 16 сдвигается вниз и размыкает связь между валом 2 двигателя и входным валом 4 редуктора 5. Фиксацию муфты в этом положении осуществляет шариковая защелка 24. Пружина 25 служит для возврата муфты в исходное положение. Для предотвращения попадания осадков внутрь привода торцы вала 4 и муфты 16 закрыты свинчивающимся колпачком 26. Цифрой 27 обозначен кожух для прохождения штока задвижки, которые на фиг.1 не показаны. Следует отметить, что элемент механического переключения привода на электрическое или ручное управление в приводе не ограничивается приведенным здесь примером. Он может иметь и любую другую конструкцию.
Выше описан привод, редуктор которого выполнен с эксцентриково-циклоидальным зацеплением составных колес, составленных из жестко скрепленных друг с другом венцов с прямыми зубьями. Однако возможно использование и другого варианта эксцентриково-циклоидального зацепления колес с винтовыми зубьями, которое отдельно показано на фиг.3.
Здесь также входной вал 4 редуктора выполнен за одно целое с однозубым цилиндрическим колесом 28. Это колесо представляет собой винтовой эксцентрик, рабочие участки профиля зуба которого в любом торцовом сечении очерчены дугами окружности 29, эксцентрично смещенной относительно оси вращения колеса OO1. Профиль зуба в нерабочих участках может иметь любую, непересекающуюся с зубьями второго колеса форму. В частности, на фиг.3 профиль зуба полностью очерчен эксцентрично смещенной окружностью. Второе колесо 30 редуктора 5 представляет собой колесо с криволинейными винтовыми зубьями 31. Рабочие участки профиля зуба этого колеса в любом торцовом сечении очерчены участками циклоидальной кривой 32. Нерабочие участки зубьев могут иметь любую непересекающуюся друг с другом форму. В частном случае, изображенном на фиг.3, профили зубьев 32 в любом торцовом сечении имеют форму эквидистанты гипоциклоиды.
Работает электропривод следующим образом. При управлении его от электродвигателя муфта 16 находится в верхнем положении. При этом ее внутренние шлицы 17 обеспечивают соединение муфты со шлицами 20 на входном валу редуктора, а внешние шлицы 18 сцеплены со шлицами 24 на валу 2 электродвигателя, обеспечивая кинематическую связь вала 2 двигателя со входным валом 4 редуктора. При включении электродвигателя 1 начинает вращаться входной вал 4 редуктора, вращая его однозубое колесо 6. Составные венцы 7 однозубого колеса имеющие форму эксцентриков взаимодействуют с составными венцами 12 колеса 11. При повороте колеса 6 на один оборот, колесо 11 поворачивается на 1 угловой шаг, т.е. передаточное отношение редуктора 5 равно числу зубьев колеса 11. Для колес, изображенных на фиг.2 передаточное отношение составляет 12. Для получения такого же передаточного отношения в одноступенчатом редукторе с эвольвентным зацеплением при минимальном числе зубьев меньшего колеса равным 8, большее колесо должно было бы иметь 96 зубьев. Очевидно, что в тех же габаритах привода размеры эвольвентного зуба будут во много раз меньше, чем циклоидальные зубья в предлагаемом приводе. Следовательно, в несколько раз меньше будет и нагрузочная способность редуктора. При одинаковых нагрузочных способностях привод с эвольвентным зацеплением будет иметь значительно большие габариты, чем предлагаемый.
При переключении привода на ручное управление, Оператор откручивает и снимает защитный колпачок 26, и надевает на шестигранный торец вала 4 рукоятку 21 ручного дублера. При этом муфта 16 принудительно сдвигается вниз, разрывая кинематическую связь электродвигателя со входным валом 4 редуктора. Положение муфты 16 фиксируется шариковой защелкой 24. Входной вал 4 редуктора 5 вращается оператором вручную, вызывая вращение колеса 11 и бугельной гайки штока задвижки (на фиг.1 не показанной). При снятии рукоятки 21 под действием пружины 25 втулка снимается с шариковой защелки и возвращается в верхнее положение, вновь соединяя вал 2 электродвигателя со входным валом 4 редуктора.
Редуктор, зацепление колес которого показано на фиг.2 работает аналогично, только в зацеплении появляются осевые составляющие силы, которые нужно учитывать при выборе подшипников.