ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД КОРАБЕЛЬНОГО КИНГСТОНА

Полезная модель относится к области электромеханических приводов в арматуростроении, в частности к трубопроводной арматуре, и может быть использована, например, для корабельного кингстона при повороте его запорного элемента, например шаровой пробки, на определенный угол.
Кингстон - клапан в подводной части судна, открывающий доступ забортной воде; назван по имени изобретателя, английского инженера Джона Кингстона (1786-1847). Свободная энциклопедия Википедия.
В корабельной (судовой) системе трубопроводов при транспортировании различных жидкостей, например, забортной воды, для управления потоком применяются кингстоны (краны, клапаны) с шаровой пробкой с центральным проходным отверстием, которая при повороте на угол 90° открывает или перекрывает поток жидкости, причем неполный поворот может вызвать протечки или уменьшение проходного сечения и соответственно увеличение гидросопротивления.
Из изложенного выше видна необходимость поворота шаровой пробки на 90° с жестким допуском ±2° для исключения протечек рабочей жидкости, например забортной воды, при неполном закрытии и уменьшения проходного сечения при неполном открытии, поскольку все электродвигатели, в т.ч. шаговые имеют некоторую инерцию при остановке, т.е. при снятии электропитания с обмоток, что не позволяет обеспечить точное положение пробки.
Известен электропривод для управления запорной арматурой магистральных трубопроводов, содержащий корпус, электродвигатель, двухступенчатый редуктор и ручной дублер с рукояткой, выходной ступенью редуктора является планетарно-цевочный редуктор (ПЦР), а его входной ступенью - червячный редуктор (ЧР), установленный соосно на входе ПЦР и выполняющий функции ручного дублера и тормоза ПЦР. (Патент РФ №2330204, 2007 г., МПК F16K 31/05, опубл. Бюл. №21, 2008 г.) [1].
Недостатком известного устройства является необоснованная сложность и малая надежность стопора из-за применения ЧР для торможения ПЦР.
∗)
5
Известен электропривод арматуры, содержащий промежуточный корпус (корпус∗,  - название в заявляемом приводе), электродвигатель, редуктор с ручным дублером в виде кожуха, штока, рукоятки (маховика) и полумуфт сцепления (кулачковой муфты∗) и поворотного на оси рычажно-фрикционного упора (ограничителя поворота∗) с двумя поверхностями контакта (показан на фиг. 2 и 3). (Авторское свидетельство СССР №1672075, 1989 г., МКИ F16K 31/05, опубл. Бюл. №31, 1991 г.) [2].
Недостатком известного устройства является малая надежность упора при применении его в качестве фиксатора положения запорного элемента арматуры (в тексте описания не упомянут и на чертежах не показан) из-за применения рычажно-фрикционного механизма при повороте и взаимодействия упора со стенкой корпуса.
Решаемой задачей является обеспечение поворота запорного элемента (шаровой пробки) кингстона (крана, клапана) при помощи электромеханического привода (электрического двигателя и механического редуктора) на определенный угол (90°) с необходимой точностью (±2°), с механическим ограничителем поворота и ручным с ручным дублированием привода.
Сущность полезной модели заключается в том, что в электромеханическом приводе корабельного кингстона, содержащем корпус, установленные в нем электродвигатель (ЭД), двухступенчатый планетарно-цевочный редуктор (ПЦР), входной вал которого соединен с выходным валом ЭД, а также ручной дублер (РД) в виде кожуха, штока, рукоятки и кулачковой муфты (КМ), подвижная полумуфта которой установлена на штоке РД с возможностью перемещения, а неподвижная полумуфта - на входном валу ЭД и ограничитель поворота (ОП), установленный на входном валу ПЦР, в качестве ЭД применен шаговый двигатель (ШД) с программируемым блоком управления (ПБУ), РД снабжен кулисой, перемещающей подвижную полумуфту КМ по штоку, кроме того, на образующей поверхности корпуса выполнен, по меньшей мере, один горизонтальный сквозной паз, а ОП выполнен в виде, по меньшей мере, одного пальца с возможностью перемещения по упомянутому пазу и при повороте контактирующего с его крайними поверхностями. Кроме того, во втором варианте исполнения (п. 2 формулы) РД может быть снабжен кулисой, перемещающей подвижную полумуфту КМ по штоку, а в третьем варианте исполнения (п. 3 формулы) РД может быть выполнен в виде съемной насадки на выступающую часть пальца ОП.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на фиг. 1 изображен заявляемый привод, полумуфты КМ разомкнуты, на фиг. 2 - то же, полумуфты КМ сомкнуты на фиг. 3 - вид А на фиг. 1., на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1, на чертежах приняты следующие обозначения.
1 - корпус,
2 - шаговый электродвигатель (ШД),
3 - программируемый блок управления (ПБУ) ШД,
4 - планетарно-цевочный редуктор (ПЦР),
5 - горизонтальный паз (ГП),
6 - пальцы ограничителя поворота (ОП),
7 - шток ручного дублера (РД),
8 - рукоятка РД,
9 - кулиса РД,
10 - кожух РД,
11 - подвижная полумуфта кулачковой муфты (КМ),
12 - неподвижная полумуфта КМ,
13 - насадки РД.
Заявляемый электромеханический привод корабельного кингстона работает следующим образом.
∗∗)
Собирают ПЦР 4 в четырехсекционном корпусе 1, на внутренний уступ∗∗ в нижней секции∗∗ (НС,  - на чертежах не обозначена) устанавливают нижний подшипник скольжения∗∗, в него по посадке скольжения устанавливают нижнее водило (НВ)∗∗ с выходным валом∗∗ с вилкой∗∗, в углубление∗∗ в верхней части НВ устанавливают верхний подшипник скольжения∗∗, в него по посадке скольжения устанавливают нижний вал∗∗ с эксцентриковой шейкой∗∗, на которую запрессовывают нижний сателлит∗∗ или сателлит второй ступени∗∗ ПЦР 4, в отверстия∗∗ сателлита через втулки∗∗ пропускают силовые пальцы∗∗ и запрессовывают их в глухих отверстиях∗∗ НВ.
В верхней полости НС устанавливают цевки∗∗ с возможностью поочередного совпадения с несколькими впадинами∗∗ сателлита при его вращении.
Устанавливают нижнюю промежуточную секцию (НПС)∗∗ корпуса 1 на НС, при этом выступ∗∗ на нижней наружной части НПС входит в соответствующее углубление∗∗ на верхней внутренней части НС, и тем самым образуется «замок» между НПС и НС.
В отверстия НПС и цевки ВС устанавливают резьбовые шпильки∗∗ и вкручивают их в глухие резьбовые отверстия∗∗ НС корпуса 1, тем самым скрепляют ПНС с НС.
На внутренний уступ НПС устанавливают шарикоподшипник∗∗, в его внутреннюю обойму запрессовывают верхнее водило (ВВ)∗∗ и соединяют его со средним валом∗∗ посредством шпонки∗∗.
В углубление∗∗ в верхней части среднего вала запрессовывают наружную обойму шарикоподшипника∗∗.
На эксцентриковую шейку∗∗ верхнего (входного) вала∗∗ первой ступени∗∗ ПЦР 4 запрессовывают верхний сателлит∗∗ или сателлит первой ступени, затем запрессовывают нижнюю часть∗∗ верхнего вала во внутреннюю обойму шарикоподшипника в верхней части среднего вала.
В отверстия∗∗ сателлита ПС через втулки∗∗ пропускают силовые пальцы∗∗ и запрессовывают их в отверстиях∗∗ ВВ.
На верхнюю плоскость НПС устанавливают цевки∗∗ с возможностью поочередного совпадения с несколькими впадинами∗∗ сателлита первой ступени при его вращении.
Устанавливают верхнюю промежуточную секцию (ВПС)∗∗ корпуса 1 на НПС, при этом выступ∗∗ на нижней наружной части ВПС входит в соответствующую обнизку∗∗ на верхней наружной части НПС, и тем самым образуется «замок» между ВПС и НПС, а упомянутые шпильки проходят через цевки первой ступени и отверстия ВПС, затем скрепляют ВПС с НПС болтами∗∗ через отверстия ВПС и глухие резьбовые отверстия∗∗ в шпильках.
Запрессовывают внутреннюю обойму роликового подшипника∗∗ на среднюю часть верхнего (входного) вала и устанавливают его наружную обойму на внутренний уступ∗∗ ВПС, при этом верхняя часть роликового подшипника выступает за верхнюю плоскость ВПС.
Устанавливают верхнюю секцию (ВС)∗∗ корпуса 1 на ВПС, при этом выступ∗∗ на нижней наружной части ВС входит в соответствующую обнизку∗∗ на верхней наружной части ВПС, тем самым образуется «замок» между ВС и ВПС, в центральное отверстие ВС входит верхняя часть наружной обоймы роликового подшипника, а головки болтов на верхней плоскости ВПС входят в углубления на нижней плоскости ВС, затем скрепляют ВС с ВПС болтами∗∗ через отверстия∗∗ ВС и резьбовые отверстия∗∗ ВПС.
Пропускают пальцы 6 ОП∗∗ через ГП 5 корпуса 1 и вкручивают их резьбовые части в резьбовые отверстия∗∗ на боковой поверхности верней части верхнего (входного) вала.
В третьем варианте исполнения (п. 3 формулы) на выступающую части пальцев 6 ОП устанавливают насадки 13.
∗∗∗)
Устанавливают ШД 2 и ПБУ 3, соединяют выходной вал∗∗ ШД 2 с входным валом ПЦР 4 посредством шпонки∗∗ и закрепляют ШД 2 и ПБУ 3 на верней плоскости ВС винтами∗∗∗ ( - на чертежах не показаны).
На входном валу ШД 2 устанавливают неподвижную полумуфту 12 КМ∗∗ РД∗∗ посредством шпонки∗∗, центрирующей втулки∗∗ и установочного винта∗∗∗, а на штоке 7 - подвижную полумуфту 11 КМ посредством шпонок∗∗.
Закрывают РД кожухом 10 и закрепляют его винтами∗∗∗ на корпусе ШД 2.
Устанавливают кулису 9 на оси∗∗ в кронштейне∗∗ на боковой поверхности кожуха 10, при этом плечо кулисы пропускают через вертикальный паз кожуха 10 и вводят в кольцевую проточку∗∗ на боковой поверхности полумуфты 11 с возможностью взаимодействия с верхней и нижней поверхностями проточки.
Закрепляют привод на корпусе∗∗∗ кингстона∗∗∗ через отверстия на нижнем фланце∗∗ НС корпуса 1 посредством болтов∗∗∗, гаек∗∗∗ и шайб∗∗∗, при этом вилка∗∗ на выходном валу ПЦР 4 входит в зацепление с поворотным штоком∗∗∗ запорного элемента∗∗∗ (шаровой пробки) кингстона.
Производят электрические соединения ШД 2 и ПБУ 3 с источником электропитания∗∗∗.
В автоматическом режиме работы посредством ШД 2 и ПБУ 3 происходит следующее.
После подачи электропитания ПБУ 3 выбирает заданные режимы работы и включает ШД 2, который поворачивается на определенное количество шагов, соответствующее необходимому углу 90°, при этом полумуфты 11 и 12 КМ∗∗ РД∗∗ остаются разомкнутыми.
С выходного вала ШД 2 вращение через шпоночное соединение передается на входной вал∗∗ ПЦР 4, где происходит редукция, посредством двух ступеней, с выходного вала∗∗ ПЦР 4 крутящий момент посредством вилки∗∗ передается на шток∗∗∗ шаровой пробки∗∗∗ (запорного элемента) корабельного кингстона∗∗∗ и она поворачивается на определенный угол 90° открывая или перекрывая при реверсивной работе ШД 2 посредством БПУ 3 канал∗∗∗ трубопровода∗∗∗ транспортирования рабочей жидкости гидросистемы∗∗∗ корабля (судна).
Точная установка положения пробки обеспечивается ОП при вращении пальца 6 совместно со входом ПЦР 4, перемещении и упоре в одну из крайних поверхностей∗∗ (точек) ГП 5 корпуса 1.
В режиме ручного управления посредством РД, например, при отсутствии электропитания, происходит следующее.
Во втором варианте исполнения РД (п.2 формулы) кулисой 9 перемещают подвижную полумуфту 11 КМ по штоку 7 до вхождения ее кулачков∗∗ во впадины∗∗ неподвижной муфты 12 КМ, при этом шпонки∗∗ служат направляющими, тем самым осуществляют жесткое сцепление штока 7 и рукоятки 8 с входным валом ШД 2.
Вращают шток 7 РД посредством рукоятки 8 (штурвала), вращение штока 7 через КМ передается входному валу ШД 2, далее происходит взаимодействие элементов конструкции, описанное выше в случае автоматической работы с использованием ШД 2 и БПУ 3.
В третьем варианте исполнения РД (п. 3 формулы) вращение входного вала ПЦР 4 осуществляют поворотом пальцев 6 ОП посредством насадок 13.
В качестве ШД 2 и БПУ 3 могут быть использованы шаговый двигатель FL86 8ТН6204В и программируемый блок управления шаговыми двигателями SMSD-9,0, описанные на сайте Компании «(НПФ) Научно-производственная фирма Электропривод» http://www.electroprivod.ru.
Шаговый двигатель FL86 STH6204B.
Технические характеристики:
- основной угловой шаг - 1,8°;
- крутящий момент до 122 кгс∗см;
- диапазон рабочей температуры от - 20°C до +50°C;
- скорость вращения вала - 1500 об/мин;
- ток/фаза - 4,2 А;
- сопротивление/фаза - 0,75 Ом;
- индуктивность/фаза - 9 МГн;
2
- момент инерции ротора - 4000 см.
Программируемый блок управления шаговыми двигателями (ШД) SMSD-9,0 для работы с двухфазными и четырехфазными двигателями (в биполярном режиме) с максимальным током фазы до 9,0 А. Блок поддерживает дробление основного шага двигателя на 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 шага. Величина дробления устанавливается перемычками на корпусе блока.
Технические характеристики:
- количество каналов управления ШД - 1;
- диапазон частот импульсов перемещения ШД 1-10000 Гц;
- точность установки частоты - не хуже 0,2%;
- напряжение питания - 9-31 В;
- максимальный выходной ток - 1,5 А;
- количество дополнительных входов - 3 (два для синхронизации с внешними устройствами и один для поиска начального положения);
- количество дополнительных каналов для подачи сигналов внешним устройствам - 1;
- режимы дробления основного шага двигателя на 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 шага.
Технический результат заключается в обеспечении точной установки положения запорного элемента корабельного кингстона при перекрытии или открытии канала транспортировки рабочей жидкости по трубопроводу гидросистемы корабля с ручным дублированием привода.
Указанный технический результат обеспечивается совокупностью отличительных признаков, а именно применением в качестве электропривода шагового двигателя (ШД) с программируемым блоком управления (ПБУ), а также выполнением на образующей поверхности корпуса, по меньшей мере, одного горизонтального сквозного паза, а ограничителя поворота (ОП) - в виде, по меньшей мере, одного пальца с возможностью перемещения по упомянутому пазу и при повороте контактирующего с его крайними поверхностями.
Кроме того, во втором варианте исполнения (п. 2 формулы) ручной дублер (РД) в виде кожуха, штока, рукоятки и кулачковой муфты (КМ), подвижная полумуфта которой установлена на штоке РД, а неподвижная полумуфта - на входном валу ЭД может быть снабжен кулисой, перемещающей подвижную полумуфту КМ по штоку, а в третьем варианте исполнения (п. 3 формулы) РД может быть выполнен в виде съемной насадки на выступающую часть пальца ОП.
Предлагаемый электромеханический привод может быть изготовлен согласно приведенным описанию и чертежам на основе известных покупных комплектующих изделий, материалов и технологического оборудования, используемых в приборостроении и применен, например, для корабельного кингстона при повороте его запорного элемента, например шаровой пробки, на определенный угол, что подтверждает промышленную применимость заявляемой полезной модели.