Классификация систем «Электропривод - запорная арматура» с позиции источников энергии, используемых для выполнения цикла «Открыто-закрыто»

УДК 621-01 DOI: 10.12737/18263

Е. В. Плахотникова

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ «ЭЛЕКТРОПРИВОД - ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА» С ПОЗИЦИИ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЦИКЛА «ОТКРЫТО-ЗАКРЫТО»

Рассмотрены теоретические предпосылки введения новой научной классификации систем «электропривод - запорная арматура». Приведены основные математические зависимости, позволяющие выделить в качестве классификационного признака вид энергии, используемый для реализации рабочего цикла «открыто-закрыто. Представлены основные классификационные варианты систем,

формализованы признаки перехода из одной системы в другую. Даны практические пояснения особенностей систем в соответствии с предложенной классификацией.

Ключевые слова: классификация, электропривод, трубопроводная запорная арматура, источники энергии.

E.V. Plakhotnikova

CLASSIFICATION OF "ELE CTRIC DRIVE - STOP VALVE" SYSTEMS FROM POSITION OF ENERGY SOURCE USED FOR "OPEN-CLOSED" CYCLE CARRYING OUT

The common purpose of investigation - development of theory and methods of open-closed" systems design.

The investigation problems: development of criteria for the functional compatibility of an electric drive and stop valve within the limits of a system, the classification of "electric drive -stop valve" systems from the position of energy sources used, that allows increasing a technical effectiveness, competitiveness of domestic produce and defining the ways for the realization of the priority trend of the RF in the field of import substitution.

The paper is a generalization of theoretical and practical investigations of the author directed to the

Научная классификация (систематизация) должна выражать систему законов, присущих отображенному в ней фрагменту действительности, которые обусловливают зафиксированные в классификации свойства и отношения объектов. Их систематизация призвана учитывать тот факт, что в природе нет строгих разграничений и переходы от одного класса к другому -неотъемлемое свойство действительности [1].

Системы «электропривод - запорная арматура» состоят из двух технических подсистем: электромеханической подсистемы электропривода и механической подсистемы запорной арматуры. Каждый из элементов системы имеет различные

development of a complex approach to the design of "electric drive - stop drive" systems. The paper reposts theoretical prerequisites for the introduction of a new scientific classification of "electric drive-stop valve" systems from the position of energy types used for the realization of the "open-closed" working cycle. Basic classification variants of systems, signs of transition of one system into other, system properties within the limits of the classification offered are shown.

Key words: classification, electric drive, pipeline stop valve, energy source.

виды классификации, базирующиеся на признаках, являющихся для них наиболее общими.

В настоящее время к электроприводам применяются следующие виды классификации [2]:

- по виду движения выходного звена: многооборотные, неполнооборотные (од-нооборотные) и прямоходные;

- по виду ограничения крутящего момента: с односторонним и двусторонним ограничением крутящего момента (или усилия) на выходном валу (или штоке);

- по назначению: электроприводы нормального (общепромышленного) ис-

полнения, взрывозащищенного исполнения и повышенной безопасности для АС;

- по типу передач редуктора электропривода: червячные, планетарные, цилиндрические, волновые, кулисно-винтовые, спироидные и др.;

- по способу силового ограничения: с отключением электродвигателя (электрическим, электромеханическим или электронным), размыканием силовой цепи механизма (электромагнитным, фрикционным или фрикционно-кулачковым) и т.д.

Запорная арматура классифицируется:

- по размерам условных диаметров: сверхмалых, малых, средних, больших и сверхбольших диаметров;

- по условным давлениям: арматура для глубокого вакуума, вакуумная, малых, средних, высоких и сверхвысоких давлений;

- по способу крепления в трубопроводе;

- по способу расположения и т.д. [3].

Все перечисленные классификации

базируются на принципах научной систематизации [1], но используемая дифференциация, связанная с классификацией электропривода и запорной арматуры как отдельных элементов, т.е. вне системы, не

позволяет описать систему законов, определяемых их интеграцией.

Исследования систем «электропривод - запорная арматура» позволили выявить общее свойство, присущее всем системам указанного типа, которое может являться классификационным признаком и основанием для введения новой классификации в отношении рассматриваемого технического объекта.

Речь идет о виде энергии, используемом при реализации рабочего цикла «открыто-закрыто», когда система «электропривод - запорная арматура» создает необходимое усилие на контактирующих поверхностях рабочего органа запорной арматуры и посадочного места, обеспечивая требуемую герметичность трубопровода.

Система «электропривод - запорная арматура», несмотря на простоту своей конструкции, является сложной технической системой, изменяющей в процессе функционирования законы взаимодействия элементов.

Условно рабочий цикл, определяющий переход рабочего органа запорной арматуры из положения «открыто» в положение «закрыто», обеспечивающее требуемую герметичность трубопровода, можно разделить на два основных периода (рис.1).

Рис. 1. Кинематические схемы реализации рабочего цикла «открыто-закрыто» системой «электропривод - запорная арматура»: а - до соприкосновения с запорным органом;

б - после соприкосновения

Первый период (рис.1 а) определяет работу системы при реализации холостого хода, т.е. до соприкосновения рабочего органа арматуры с посадочным местом на трубопроводе. Он составляет до 90 % суммарного времени, затрачиваемого на выполнение рабочего цикла «открыто-закрыто».

Особенность работы системы в первом периоде заключается в отсутствии осевого перемещения червяка 3 (рис. 1а), подпружиненного с обеих сторон силоиз-мерительными пружинами 4 (рис. 1б). При этом энергия асинхронного электродвигателя 1 практически полностью преобразуется во вращательное движение выходного вала привода 6 и через винтовую пару шпинделя арматуры 7, в случае использования в системе арматуры с прямолинейным движением рабочего органа (задвижки или клапана 8), обеспечивает поступательное перемещение запорного органа 8 в направлении посадочного места 9.

Второй период (рис. 1 б) определяет работу системы «электропривод - запорная арматура» после достижения запорным органом арматуры посадочного места на трубопроводе - седла 9, что обеспечивает герметичность перекрытия трубопровода.

В период герметизации червячное колесо 5 практически останавливается; под действием сил, условно представленных на схеме в точке а (рис.1 б), червяк начинает смещаться вдоль червячного вала, сжимая при этом одну из силоизмерительных пружин 4. Степень сжатия пружины 4 определяется параметрами настройки системы на отключение. При этом систему можно сравнить с неравноплечими весами, находящимися в равновесии.

Условие равновесия системы, пренебрегая моментом, возникающим от перекоса линии действия силы Рпр;(Н), сжимающей пружину, относительно соответствующей оси червячного колеса, что дает погрешность не более 5 % , можно с учетом равенства окружной силы на червячном колесе Ртч,к и осевой силы на червяке Ртч представить зависимостью

.

Здесь РпрI - сила сжатия пружины; Рзаю - суммарная сила, действующая в запорной арматуре при обеспечении герметичности трубопровода; Рхв - ход резьбы (Рхв= ^х.въ, где тхв - шаг ходового винта запорной арматуры; ъ - число заходов резьбы); г0 - радиус червячного колеса; - коэффициент полезного действия червячной передачи с учетом потерь на трение; Ц2 - коэффициент полезного действия винтовой передачи шпинделя арматуры с учетом потерь на трение в резьбовой паре.

В момент герметизации элементы системы испытывают упругие деформации. Функции приращения сил Рзакг(Аг), Рпрг- (X), где Аг- соответствуют суммарной деформации подсистемы запорной арматуры [5], а X - деформации силоизмерительной пружины, подчиняются линейному закону.

При достижении заданных параметров настройки системы, определяемых нормированным значением силы Рзаю, электродвигатель 1 (рис.1 б) отключается и накопленная кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию деформируемых элементов.

Обобщенное уравнение, определяющее баланс энергий в системе «электропривод - запорная арматура» в момент инерционного выбега, можно представить зависимостью

где Еп1 - потенциальная энергия сжимаемой силоизмерительной пружины; Еп2 -энергия, расходуемая на деформацию запорной арматуры; X Екин - кинетическая энергия останавливающейся системы.

.

Здесь Jl - момент инерции ротора двигателя; J2 - момент инерции вала червяка; Jз - момент инерции червяка; тч -масса червяка; О - угловая скорость выходного вала электродвигателя; Кобч - осевая скорость червяка в момент отключения электродвигателя, которая при условии равновесия системы определяется выражением

у - Цы ^

,

где пэд - частота вращения выходного вала электродвигателя; / - передаточное отношение редуктора; Скл - жесткость запорной арматуры; кпр - жёсткость силоизме-рительной пружины.

Распределение кинетической энергии в уравновешенной системе происходит пропорционально коэффициенту (Кс), зависящему от соотношения жесткостей запорной арматуры (Скл) и силоизмеритель-ной пружины (кпр), КПД электропривода (^1) и запорной арматуры (^2), а также параметров, определяемых конструкцией системы (Р х.в? го).

Значение коэффициента Кс определяется зависимостью

^ = = —. ^ .

С учетом коэффициента Кс выражение (1) примет вид

2ЕКНН =Еа2

Полученное выражение (3) позволяет далее, рассматривая только подсистему запорной арматуры, получить основные зависимости, характеризующие функционирование системы, что пояснит предпосылки введения новой классификации.

Для выделения классификационного признака системы «электропривод - запорная арматура» рассмотрим процесс формирования суммарной деформации (ЕЛ), возникающей в подсистеме запорной арматуры, на протяжении второго периода, т.е. с момента соприкосновения запорного органа с посадочным местом на трубопроводе до полной остановки системы.

В общем виде деформацию ЕЛ будет определять выражение

Ей=Др + Ди ,

где ЕЛ - суммарная деформация запорной арматуры; Лр - деформация системы, обеспечиваемая работающим электродвигателем; Ли - деформация системы в период инерционного выбега.

Для составления общего уравнения баланса энергий, расходуемых системой при обеспечении деформации ЕЛ, положенного в основу предлагаемой классификации, рассмотрим график зависимости модуля внешней силы Рзак/ от деформации запорной арматуры Л/ (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость модуля внешней силы Рзак от деформации запорной арматуры

Линейность функции Рзак/(Л/) (рис. 2) определяется работой системы (на протяжении рассматриваемого периода) в области упругих деформаций, что экспериментально и теоретически доказано в предыдущих работах [4; 5].

Значение силы Рзак/, действующей в /-й момент времени, можно определить, согласно закону Гука, выражением

Р«ы=Скя- К

Энергию, расходуемую в подсистеме запорной арматуры для обеспечения требуемой герметичности, удобно выразить через площадь треугольника о-4-3.

Энергия, передаваемая подсистеме работающим электродвигателем, будет определяться площадью треугольника о-1-2.

Кинетическая энергия, графически определяемая площадью трапеции 1-2-3-4, математически может быть вычислена из выражения (3).

В результате общее уравнение баланса энергий в подсистеме запорной арматуры в период обеспечения герметичности при выполнении цикла «открыто-закрыто» будет иметь вид

--1Р

2

2

;: -;:

Из выражения (6) с учетом формул (2) и (5) значение деформации Лр можно определить зависимостью

Значение деформации запорной арматуры Ли, обеспечиваемой инерционным выбегом после отключения электродвига-

теля, с учетом формулы (7) можно выразить из уравнения (4):

.

л] (Кс+^Ск

Классификационным признаком системы будет являться соотношение деформаций Ар и Аи, определяемых источниками энергии, используемыми при выполнении цикла «открыто-закрыто».

Анализ выражения (8) позволяет определить теоретическую возможность различных вариантов работы системы «электропривод - запорная арматура», используемых в предлагаемой далее классификации. Условием перехода из одной системы в другую является значение подкоренного выражения в формуле (8).

Различные классификационные варианты приведены в таблице.

Таблица

Классификация систем «электропривод - запорная арматура» по видам используемой энергии

Система

Классификационный признак

Схема нагру-жения

1. Комбинированная

'Ч гп6л.

2. Инерционная

ЕД2  Сщ,  (Кс + 1) = (/1+Л +Л)  м- +

3. Инерционно избыточная

ЕД2  С^  (кс + 1} < (А + к +7з)  +

4. Безынерционная

СЬ+А+Л)-«Ч-т*-= о

Рассмотрим особенности систем в соответствии с приведенной классификацией.

1. Комбинированная система, наиболее широко используемая в настоящее время. В системе применяется наиболее дешевый асинхронный электродвигатель. Энергии работающего двигателя и выбега сбалансированы соответственно равенству

(4).

2. Инерционная система, использующая только энергию пуска асинхронного электродвигателя. В данном случае величина Ар пренебрежимо мала. Система может быть использована для быстродей-

ствующих систем «электропривод - запорная арматура». В настоящее время подобные системы не получили широкого распространения, но при умышленном увеличении момента инерции, например маховиком, могут успешно применяться.

3. Инерционно избыточная система -вариант предыдущей системы с использованием коэффициента запаса

Д1 = —.

ЕЛ

4. Безынерционная система, наиболее перспективная в ближайшем будущем. В качестве двигателя используется шаговый двигатель с программным управлением. Двигатель безынерционен и после отра-

ботки заданного цикла (шагов) останавливается. Система легко реализуется при снижении стоимости шагового двигателя и системы управления, что было отмечено в работах О.Н. Шпакова [7].

Цель приведенной классификации состоит в том, чтобы обратить внимание производителей систем «электропривод -запорная арматура», особенно конструкторов, на неиспользованные возможности приводов, а также на учет динамических эффектов, игнорирование которых - обычное явление в настоящее время [6].

Как отмечено в Большой советской энциклопедии, «практическая необходи-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большая советская энциклопедия. В 30 т. Т.12. Кварнер - Конгур / гл. ред. А.М. Прохоров. - 3-е изд. -М.: Сов. энцикл., 1973. -623 с.

2. ГОСТ Р 55511-2013. Арматура трубопроводная. Электроприводы. Общие технические условия.

3. Гуревич, Д. Ф. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: справочник / Д. Ф. Гуревич, О.Н. Заринский [и др.]. -Л.: Машино-строение,1982. - 320 с.

4. Гарганеев, А. Г. Электропривод запорной арматуры: монография/ А.Г. Гарганеев, А. С. Кара-кулов, С. В. Ланграф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - 157 с.

5. Плахотникова, Е. В. Динамические нагрузки в электроприводной арматуре/Е. В. Плахотнико-

1. Large Soviet Encyclopedia in 30 Vol. Vol. 12. Kwarner - Kongur / Editor-in-Chief А.М. Prokho-rov. - 3-d Ed. -М.: Sov. Encycl., 1973. - pp. 623.

2. SARS 55511-2013. Pipeline Fittings. Electric Drives. General technical Conditions.

3. Gurevich, D.F., Pipeline Fittings with Automatic Control: Reference Book / D.F. Gurevich, O.N. Za-rinsky [et al.]: -L.: Mechanical Engineering,1982. -pp. 320.

4. Garganeev, A.G., Electric Drive of Stop Valve: Monograph / A.G. Karakulov, S.V. Langraf. -Tomsk: Publishing House TPU, 2013. - pp. 157.

5. Plakhotnikova, E.V., Dynamic Loads in Electric Drive Fittings / E.V. Plakhotnikova, Т. А.

Сведения об авторах:

Плахотникова Елена Владимировна, к.т.н., доцент кафедры «Инструментальные и метрологиче-

Plakhotnikova Elena Vladimirovna, Can.Eng., Assistant Prof. of the Dep. "Tool and Metrological Sys-

мость классификации стимулирует развитие теоретических аспектов науки и техники, а создание классификации дает качественный скачок в развитии знаний» [1].

Реализация в России приоритетной стратегии импортозамещения продукции требует именно качественного скачка. В отношении систем «электропривод - запорная арматура» желаемый скачок позволяет совершить предложенная в статье классификация, дающая возможность пересмотреть направления развития технических систем указанного типа.

ва,Т. А. Елисеева // Трубопроводная арматура и оборудование. - 2012. - № 5 (62). - С. 72-75.

6. Плахотникова, Е. В. Закон совместимости как базовый элемент повышения качества систем «электропривод - запорная арматура» на пути к импортозамещению/ Е. В. Плахотникова, В. Б. Протасьев// Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - 2015.-№ 1 (309).- С. 113-121.

7. Шпаков, О.Н. О расчете нагрузок в электроприводной арматуре / О.Н. Шпаков // Арматуро-строение. -2005.-№ 5 (37). - С. 48-51.

Eliseyeva // Pipeline Fittings and Equipment. -2012. - № 5 (62). - pp. 72-75.

6. Plakhotnikova, E.V., Compatibility law as basic element for quality increase of "Electric Drive-Stop Valve" systems for Import Substitution / Е. V. Plakhotnikova, V.B. Protasiev // Bulletin of Orel State Technical University. Series "Fundamental and Applied Problems of Technics and Technology" 15.-№ 1 (309).- pp. . 113-121.

7. Shpakov, O.N., On computation of loads in electric drive fittings, O.N. Shpakov // Armature Engineering. -2005.-№ 5 (37). - pp. 48-51.

Статья поступила в редколлегию 27.10.15.

Рецензент: д.т.н., профессор Тульского государственного университета

Борискин О.И.

ские системы» Тульского государственного университета, e-mail: e plahotnikova@mail.ru.

tems" Tula State University, e-mail:

e plahotnikova@mail.ru.