ЭЛЕКТРОПРИВОД ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ
ELECTRIC DRIVE FOR STOP VALVES

Изобретение относится к приводам управления трубопроводной арматурой и может быть использовано в трубопроводном транспорте для управления потоком рабочей среды, например нефти, газа и других продуктов.
Привод запорной арматуры в самом общем случае содержит электродвигатель с редуктором и ручной дублер для управления арматурой в условиях аварийного отключения электричества. Компоновка двигателя и редуктора должна допускать большие линейные перемещения штока трубопроводной арматуры. Основной проблемой приводов запорной арматуры является безопасное переключение исполнительного механизма с электрического на ручное управление и обратно. Самая простая схема подключения ручного управления реализована в электроприводе арматуры по патенту RU 2132990. Маховик ручного дублера выполнен съемным. Переключение осуществляется осевым смещением маховика, при котором замыкается кинематическая связь ручного дублера и ведомого вала привода и одновременно срабатывает электрический выключатель, отключающий питание двигателя. Основным недостатком такого привода является большая зависимость от человеческого фактора, так как после случайного отключения включение электрического управления невозможно без выезда оператора на место. Кроме того, надежность работы электрического выключателя, особенно в полевых условиях, значительно ниже надежности механических систем.
Известны приводы RU 22113890, US 7055795, в которых используют двухстороннюю кулачковую муфту, которая, перемещаясь по шлицам ведомого вала привода, поочередно связывает с ним либо вал ручного маховика, либо вал двигателя, разрывая другую связь. Перемещение муфты в обе стороны может осуществляться рычагом, либо в одну сторону муфта перемещается рычагом и фиксируется защелкой, а возвращается в другое положение с помощью пружины после разблокирования защелки. Таким приводам присущ основной недостаток, описанный выше, а именно переключение с ручного управления на электрическое возможно только оператором на месте.
Для автоматического размыкания связи между ручным маховиком и кулачковой муфтой при включении питания электродвигателя используют элементы с криволинейными торцевыми кулачками SU 1421944, RU 2239116. Недостатками этих технических решений является большое количество кинематических связей, что усложняет работу и снижает надежность приводов.
В качестве прототипа выбран электропривод с ручным дублером (RU 56542). Привод содержит корпус, в котором перпендикулярно друг к другу установлены валы двигателя и ручного дублера. На валах установлены зубчатые колеса, которые зацепляются друг с другом при продольном перемещении вала ручного дублера по шлицам в корпусе. На валу ручного дублера расположена пружина, которая возвращает ручной дублер в исходное положение после прекращения давления на маховик. При ручном управлении приводом оператору приходится одновременно давить на маховик, преодолевая сопротивление пружины, и вращать его, что крайне неудобно и требует больших физических усилий. При неожиданном включении электропитания возникает удар на маховик, так как дублер отключается только после того, как оператор отпускает маховик. Такой ручной дублер прост, но очень неудобен в эксплуатации и опасен для оператора.
Таким образом, остается актуальной задача создания простого, надежного и безопасного привода, имеющего малое количество деталей и невысокую стоимость.
Техническим результатом изобретения является разделение усилий вращения маховика и приведения ручного дублера в рабочее положение и автоматический разрыв связи ручного дублера с двигателем при неожиданном включении электродвигателя.
Для решения поставленной задачи привод запорной арматуры, как и прототип, содержит электродвигатель, связанный с входным валом редуктора, ручной дублер и механизм переключения привода с электрического на ручное управление. Валы электродвигателя и ручного дублера установлены в корпусе перпендикулярно друг к другу и на них закреплены зубчатые колеса, которые приводятся в зацепление механизмом переключения привода в ручное управление.
В отличие от прототипа механизм переключения выполнен в виде эксцентриковой втулки, посредством которой вал ручного дублера установлен в корпусе, втулка снабжена рычагом для ее поворота в корпусе. При повороте эксцентриковой втулки вал ручного дублера вместе с зубчатым колесом перемещается в направлении, перпендикулярном оси ручного дублера, и колесо на валу ручного дублера входит в зацепление с колесом на валу двигателя. Чтобы ручной дублер гарантированно отключался после включения двигателя при любом состоянии трущихся поверхностей вала ручного дублера, эксцентриковой втулки и корпуса, проходящий внутри эксцентриковой втулки вал дублера выполнен в виде двух полувалов, несущих на себе штурвал ручного управления и зубчатое колесо. Полувалы соединены друг с другом посредством двойной двусторонней муфты свободного хода, причем полувал со штурвалом ручного управления соединен с вилкой муфты, полувал с зубчатым колесом соединен со звездочкой муфты, а ее обоймой является внутренняя цилиндрическая поверхность эксцентриковой втулки.
Для фиксации ручного дублера в рабочем положении целесообразно на наружной боковой поверхности втулки выполнить защелку в виде подпружиненного шарика.
На фиг.1 представлено осевое сечение привода, на фиг.2 - его общий вид со снятым двигателем, а на фиг.3 - сечение по В-В, показывающее муфту свободного хода.
Привод содержит корпус, состоящий из двух цилиндрических плеч 1 и 2, перпендикулярных друг к другу. Плечи 1 и 2 корпуса жестко связаны друг с другом. В приводе, представленном на фигурах, части 1 и 2 корпуса связаны с помощью прямоугольного фланца 3 и резьбовых соединений. В цилиндрическом корпусе 1 выполнено посадочное отверстие для электродвигателя 5, а в корпусном элементе 2 выполнено отверстие 6 для установки ручного дублера.
Вал 7 электродвигателя 5 жестко связан с входным валом 8 редуктора привода (сам редуктор на фигуре не показан) и на нем жестко закреплено коническое зубчатое колесо 9. Вал ручного дублера выполнен из двух полувалов 10 и 11. На полувалу 10 посажен штурвал 12 с рукояткой вращения 13. На полувалу 11 жестко закреплено коническое зубчатое колесо 14, зацепляющееся с колесом 9 при включенном ручном дублере. Следует отметить, что колеса в паре 14-9 не обязательно должны быть коническими. Одно из колес может быть плоским, тогда ответное колесо будет цилиндрическим.
Полувалы ручного дублера 10 и 11 посажены в корпусе 2 через эксцентриковую втулку 15, которая имеет возможность поворота в корпусе с помощью рычага 16. Полувалы 10 и 11 посажены в эксцентриковой втулке 15 на подшипниках 18, 19, 20, 21 и связаны друг с другом посредством двойной муфты свободного хода двухстороннего действия (см. фиг.3). При этом полувал 10, несущий штурвал 12, связан с вилкой 22 муфты свободного хода, а полувал 11 связан со звездочкой 23. При этом обоймой муфты свободного хода является внутренняя поверхность 24 эксцентриковой втулки 15. Ролики 25 муфты свободного хода раздвигаются в клиновые пазы между звездочкой 23 и обоймой 24 пружинами 26.
Ручной дублер включается поворотом и удержанием рычага 16. Для того чтобы зафиксировать ручной дублер в рабочем положение без усилия со стороны оператора, на наружной боковой поверхности эксцентриковой втулки 15 выполнена шариковая защелка - фиксатор углового положения эксцентриковой втулки. Защелка представляет собой выполненное в корпусе 2 отверстие 27 с шариком 28 и пружиной 29. На боковой поверхности эксцентриковой обоймы 15 выполнены ответные пазы 31, фиксирующие обойму 15 в положении включения ручного дублера и в положениях его выключения. Для регулировки силы сжатия пружины 29 предусмотрен регулировочный винт 30.
Рассмотрим работу предлагаемого привода в простейшем варианте конструкции, т.е. без шариковой защелки. В режиме электрического управления эксцентриковая втулка 15 повернута в корпусе 2 так, что ось 001 ручного дублера занимает крайнее нижнее положение, показанное на фиг.1 пунктиром. Зубчатое колесо 14 при этом выведено из зацепления с колесом 9. Вращение вала 7 двигателя 5 передается на входной вал 8 редуктора и далее к рабочему органу запорной арматуры. При обесточивании двигателя 5 поворотом рычага 16 вверх до упора втулка 15 поднимает ось 001 в крайнее верхнее положение и колесо 14 входит в зацепление с колесом 9. Вращением штурвала 12 приводится во вращение полувал 10 и вилка 22 муфты свободного хода. Вращением вилки 22 ролики 25 выталкиваются из клиновых пазов между звездочкой 23 и обоймой 24, и звездочка свободно вращается вместе с вилкой относительно обоймы 24. Т.е полувалы 10 и 11 вращаются относительно эксцентриковой втулки 15 вместе как единое целое, и вращение от штурвала 12 передается через зубчатые колеса 14 и 9 на входной вал 8 редуктора привода. Оператору необходимо лишь фиксировать рычаг 16 в нужном положении и вращать рукоятку 13 штурвала 12.
В этой простейшей конструкции при неожиданном включении двигателя 5 вращение через зубчатую пару 9-14 поступит на полувал 11 и звездочку 23 муфты свободного хода. При вращении звездочки 23 с более высокой скоростью, чем вилка 22, вращаемая вручную, один из роликов 25 заклинивается в пазу между звездочкой 23 и обоймой 24 и вращение от звездочки передается на обойму, поворачивая эксцентриковую втулку 15 вокруг ее оси вращения. Поворот втулки в корпусе 2 разрывает связь между зубчатыми колесами 14 и 9. Динамический удар от 5 включенного двигателя может ощущаться оператором только на рычаге 16, но поскольку связь с двигателем тут же разрывается, то этот удар не может причинить большого вреда оператору.
Привод с шариковой защелкой в режим ручного дублера также переводится поворотом рычага 16. Эксцентриковая втулка 15 в этом случае удерживается не рычагом 16, который оператор может отпустить, а шариком 28, фиксированном в пазу 31. Оператор теперь имеет свободными обе руки и может ими обеими вращать штурвал 12, что облегчает ручное управление приводом. При неожиданном включении электропитания двигателя 5, как и в предыдущем случае, сработает муфта свободного хода, и вращение зубчатого колеса 9 через колесо 14 создаст на эксцентриковой втулке 15 момент вращения относительно ее оси. При превышении этим моментом силы поджатия пружины 29 шариковой защелки шарик 28 утапливается в отверстии 27, освобождая защелку, и втулка 15 поворачивается в корпусе 2 вокруг своей оси вращения. Тем самым колесо 14 переводится в нижнее положение и разрывает связь зубчатых колес 9 и 14. Т.е. в этом случае динамического удара на руки оператора не будет вообще. В дальнейшем входной вал 8 редуктора будет вращаться только от электродвигателя 5. Во избежание в момент включения двигателя излишних нагрузок на нем пружину 29 шариковой защелки целесообразно отрегулировать так, чтобы она надежно фиксировала положение втулки 15 при ручном управлении, но легко отключалась при включении двигателя. Регулировка пружины 29 в данной конкретной конструкции осуществляется регулировочным винтом 30.
Таким образом, предложена очень надежная, простая и удобная в эксплуатации конструкция привода запорной арматуры с ручным дублером.