ПРИВОД УПРАВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРОЙ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к арматуростроению и может быть использована в качестве привода управления трубопроводной арматурой (далее ТПА).
Известен привод управления трубопроводной арматурой, содержащий установленную на подшипниках в верхней части корпуса бугеля (стойки) с указателем положения запорного органа, ходовую втулку, управляющую ходовой гайкой, взаимодействующей со шпинделем, на внутренней и внешней поверхности ходовой втулки, а также внешней поверхности ходовой гайки и внутренней поверхности опорной гайки, охватывающей ходовую втулку, выполнены винтовые канавки одинакового направления, образующие винтовые каналы, в которых размещены шарики, а ходовая гайка фиксируется в верхнем положении относительно ходовой втулки крутящим моментом, превышающим крутящий момент холостого хода (см. патент №173178, F16K 31/50, 2017 г., прототип).
Недостатком данного привода являются ограниченные возможности его применения, в основном это клиновые задвижки, так как сложно обеспечить гарантированное самоторможение шпинделя на рабочем участке хода, где работает только шариковинтовая передача, например, в конструкциях шиберных задвижек, различных заслонок, кранов, клапанов или регулирующей ТПА. Кроме того, при случайном попадании в резьбовое соединение между ходовой гайкой и шпинделем мелких посторонних предметов (заусениц от резьбы шпинделя, прилипших к шпинделю песчинок и т.д.), на рабочем участке холостого хода может резко вырасти крутящий момент и сорвать пружинные шариковые фиксаторы, отрегулированные на заданный момент, что может привести к преждевременному включению в работу «силовых» ступеней (скоростей) привода и нарушить алгоритм его работы.
Известен также механизм винтового домкрата с дифференциальной резьбой, содержащий корпус в котором расположена гайка, на внутренней и наружной поверхности гайки выполнена резьба одного направления, но с разным шагом. Перемещение винта за один оборот гайки равно разности шагов резьбы (см. патент №407831, B66f 3/08, 1973 г.).
К недостаткам данной конструкции дифференциального механизма относятся односкоростной режим работы и большая осевая длина дифференциального механизма при больших передаточных числах и ходах привода.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом устройстве - повышение потребительских свойств привода управления запорным или регулирующим органом ТПА, заключающееся в гарантированном обеспечении условий самоторможения на всем рабочем участке движения шпинделя и невозможности преждевременного несанкционированного включения в работу «силовых» ступеней (скоростей) привода и сохранение оптимальной осевой длины привода при достаточно больших передаточных числах и ходах.
Поставленная техническая задача решается тем, что привод управления ТПА, содержащий установленную на подшипниках в верхней части корпуса бугеля (стойки) с указателем положения запорного органа, ходовую втулку, управляющую ходовой гайкой, взаимодействующей со шпинделем, на внутренней и внешней поверхности ходовой втулки, а также внешней поверхности ходовой гайки и внутренней поверхности опорной гайки, охватывающей ходовую втулку, выполнены винтовые канавки одинакового направления, образующие резьбовые соединения, имеющие разный шаг, при этом опорная гайка может находиться в заблокированном состоянии или свободном вращении, в зависимости от перемещения шпинделя, а ходовая гайка в верхнем положении блокируется с ходовой втулкой.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на чертеже изображен совмещенный разрез привода ТПА с винтовой дифференциальной передачей с трением скольжения в открытом положении (левая сторона разреза) и в закрытом положении (правая сторона разреза).
Привод управления ТПА содержит ходовую втулку 1, на внутренней поверхности цилиндрической части которой выполнена винтовая канавка 2, взаимодействующая с ответной и одинаково направленной винтовой канавкой 3, выполненной на наружной поверхности ходовой гайки 4. Винтовые канавки 2 и 3 образуют резьбовое соединение по периметру цилиндрической поверхности примыкания ходовой втулки 1 и ходовой гайки 4. Ходовая гайка 4 так же взаимодействует через внутреннее резьбовое соединение 5 со шпинделем 6.
В верхней части ходовой гайки 4 в цилиндрических каналах расположены фиксаторы 7, а в верхней части ходовой втулки 1 соответствующая кольцевая проточка 8 для кинематической фиксации в верхнем положении ходовой гайки 4 относительно ходовой втулки 1. На верхнем торце шпинделя 6 закреплен упор 9 с кольцевой проточкой 10.
На верхней части ходовой втулки 1, выполненной в виде входного элемента, для ручного привода это обычно шестигранник, устанавливается маховик 11.
На наружной поверхности цилиндрической части ходовой втулки 1 так же выполнена винтовая канавка 12, которая взаимодействует с ответной и одинаково направленной винтовой канавкой 13, выполненной на внутренней поверхности опорной гайки 14, установленной в корпусе бугеля 15 на подшипниках 16 и зафиксированной в осевом направлении гайкой 17.
В нижней части опорной гайки 14 расположен барабанный блокирующий механизм, состоящий из равномерно расположенных по окружности на нижнем торце ходовой гайки 4 отверстий 18 с коническими направляющими и фиксаторов 19, симметрично расположенных по аналогичной окружности и жестко закрепленных на днище опорной гайки 14.
На верхней части ходовой втулки 1 (не показано) устанавливается кожух с указателем положения запорного органа трубопроводной арматуры и маркировкой "О" открыто и "3" закрыто, относительно которых, по ярко окрашенной кромке упора 9 закрепленного на верхнем торце шпинделя 6, считываются положения запорного органа.
Привод работает следующим образом: при открытии ТПА, для страгивания (срыва) запорного органа, крутящий момент от оператора передается ходовой втулке 1. При вращении ходовой втулки 1, за счет смещения винтовой линии подвижного резьбового соединения с ходовой гайкой 4, последняя будет перемещаться в осевом направлении вверх. При этом ходовая гайка 4, находясь в зацеплении с неподвижной резьбой 5 шпинделя 6, охватывая и оставаясь неподвижной относительно его, перемещается только в осевом направлении вместе со шпинделем 6 вверх, перемещая при этом запорный орган ТПА. Одновременно, за счет смещения винтовой линии подвижного резьбового соединения ходовой втулки 1 с заблокированной опорной гайкой 14, ходовая втулка 1 будет перемещаться вниз, при этом шаг внутренней резьбы, должен быть больше шага внешней резьбы для сохранения направления движения шпинделя 6 при дальнейшем изменении режимов работы привода. В результате суммарного движения за один оборот ходовой втулки 1, шпиндель 6 сместиться вверх на разницу шагов внутренней и внешней резьбы дифференциальной передачи.
При этом барабанный блокирующий механизм находится в замкнутом положении, т.е. конические фиксаторы 19 закрепленные по окружности на днище опорной гайки 14 замкнуты с отверстиями 18 расположенными по аналогичной окружности на нижнем торце ходовой гайки 4, поэтому неподвижная ходовая гайка 4 и опорная гайка 14 жестко соединены и заблокированы от вращения.
Крутящий момент, приложенный к приводу ТПА и передаваемый силовой дифференциальной передачей, должен обеспечить страгивание запорного органа. Необходимый крутящий момент и соответствующее осевое перемещение запорного органа обеспечивается заданной конструктивно разностью шагов внешней и внутренней резьбы дифференциальной передачи.
После страгивания запорного органа и уменьшения усилия на шпинделе 6, ходовая втулка 1 сделав заданное конструктивно количество оборотов, смещают ходовую гайку 4 по оси вверх до момента полного размыкания фиксаторов 19 с отверстиями 18.
После полной разблокировки опорной гайки 14, дифференциальная передача, образующая первую силовую ступень привода, выключается.
При дальнейшем вращении ходовой втулки 1, опорная гайка 14 вращается с ней как одно целое, опираясь на подшипники 16, а ходовая гайка 4, за счет обкатывания по ней ходовой втулки 1 по винтовой линии 2, продолжает смещаться по оси вверх вместе со шпинделем 6 до соприкосновения ее с верхним торцом ходовой втулки 1 и самоблокируется от дальнейшего вращения. При таком режиме работы привода реализуется вторая силовая ступень, когда работает только резьба, образованная винтовыми линиями 2 и 3. При этом крутящий момент от ходовой втулки 1, передается через заблокированную с ней ходовую гайку 4 и винтовое соединение 5, воздействует радиальной составляющей от стенки проточки 10, выполненной в упоре 9, на фиксаторы 7, которые переместятся по цилиндрическим каналам в проточку 8, выполненную в верхней части ходовой втулки 1, дополнительно кинематически жестко блокируя ходовую втулку 1 относительно ходовой гайки 4.
После этого крутящий момент от внешнего привода будет передаваться на ходовую втулку 1 и ходовую гайку 4, которые, находясь в заблокированном положении, вращаются вокруг шпинделя 6 как одно целое, при этом крутящий момент передается непосредственно на резьбовое соединение 5, образованное ходовой гайкой 4 и шпинделем 6. В этом режиме работы привода увеличивается скорость осевого перемещения шпинделя 6 и соответственно запорного органа, т.к. шаг резьбового соединения ходовой гайки 4 со шпинделем 6 задается конструктивно значительно больше, чем шаг резьбового соединения, образованного винтовыми линиями 2 и 3, а тем более дифференциального механизма. Таким образом привод работает последовательно в трехскоростном режиме. Затвор открыт.
При закрытии ТПА привод работает в обратном порядке. Внешний крутящий момент вначале передается на ходовую втулку 1, а через неподвижное резьбовое соединение на ходовую гайку 4, которые, находясь в заблокированном положении, вращаются вокруг шпинделя 6 как одно целое, что позволяет через подвижное резьбовое соединение 5 перемещать шпиндель 6 и запорный орган ТПА с увеличенной скоростью до момента касания уплотнительных полей запорного органа с ответными полями седел, согласованного с моментам касания упора 10 с верхнем торцем ходовой гайки 4 и соответственно расположением упора 10 на шпинделе 6. При дальнейшем увеличении усилия на шпинделе 6, фиксаторы 7 под действием радиальной составляющей от крутящего момента ходовой втулки 1 передаваемой стенкой проточки 8 переместятся по цилиндрическому каналу в проточку 10 и разблокируют ходовую втулку 1, одновременно ходовая гайка 4, заблокированная упором 9 и дополнительно фиксаторами 7, перестает вращаться вокруг шпинделя 6 в резьбовом соединении 5. При этом крутящий момент начинает передаваться только ходовой втулке 1.
При ее дальнейшем вращении, ходовая втулка 1, находясь в зацеплении через неподвижное резьбовое соединение с опорной гайкой 14 будет вращаться с ней как одно целое на подшипниках 16 и за счет смещения винтовой линии 3 будет продолжать перемещать в осевом направлении вниз ходовую гайку 4. При этом ходовая гайка 4, находясь в зацеплении с резьбой 5 шпинделя 6 и оставаясь неподвижной относительно его, перемещается в осевом направлении вниз вместе со шпинделем 6 и, соответственно, продолжает перемещать вниз запорный орган ТПА. Шаг резьбы, образованной винтовыми линиями 2 и 3 выбирается значительно меньше, чем у резьбы 5. При движении вниз ходовая гайка 4 за счет отверстий 18, расположенных по окружности нижнего торца, замыкается с фиксаторами 19, закрепленными по аналогичной окружности на днище опорной гайки 14. Тем самым жестко блокируя ее от дальнейшего вращения.
После того как барабанный блокирующий механизм включится, а опорная гайка 14 замкнется на неподвижную, в данный момент, ходовую гайку 4 и соответственно перестанет вращаться, начнет работать дифференциальная передача привода. При этом крутящий момент от оператора передается ходовой втулке 1, находящейся одновременно в зацеплении внешней резьбой с опорной гайкой 14, а внутренней резьбой с ходовой гайкой 4, имеющих одинаковое направление, но разные шаги, соответственно осевое перемещение в них будет происходить в противоположные стороны. Т.к. шаг внутренней винтовой резьбы задается больше шага внешней винтовой резьбы, то при продолжении вращения оператором маховика 11, сохранится прежнее направление движения шпинделя до полного закрытия ТПА. Затвор закрыт.
Таким образом, предложенный малогабаритный трехскоростной винтовой привод управления ТПА, встроенный в корпус бугеля (стойки), позволяет не только уменьшить время цикла "открыто-закрыто", но и гарантированно обеспечивает самоторможение на всем рабочем участке движения шпинделя ТПА, т.к. все резьбовые соединения выполнены с условиями самоторможения. Фиксаторы 7 дополнительно кинематически жестко блокируют ходовую втулку 1 относительно ходовой гайки 4, что делает невозможным преждевременное несанкционированное включение в работу «силовых» ступеней (скоростей) привода. Это позволит применять его в качестве привода управления ТПА различных типов конструкций, включая клапаны и регулирующую ТПА, что значительно расширит область его применения в арматуростроении.
Дифференциальная резьбовая передача с малым шагом используется только при "срыве" или "дожиме" запорного органа в седлах ТПА. При дальнейшем вращении заблокированной дифференциальной передачи работает только вторая силовая ступень, а затем только третья скоростная ступень, когда крутящий момент передается непосредственно через резьбовое соединение 5 ходовой гайки 4 на шпиндель 6, которое выполняется с увеличенным шагом, что позволит соответственно увеличить скорость перемещения запорного органа на холостом ходу.
Применение трех скоростных режимов работы привода с разным шагом позволяет значительно уменьшить осевой размер привода. Переключение режимов работы привода при открытии и закрытии ТПА происходит автоматически за счет упоров, простейших фиксаторов и барабанного блокирующего механизма и не требует дополнительных переключателей или действий оператора. Такой режим работы привода позволяет оператору при вращении маховика, без дополнительных действий, автоматически и последовательно получать три скорости перемещения шпинделя, как при открытии, так и при закрытии ТПА, в соответствии с действующими силами сопротивления запорному органу.