ДВУХСКОРОСТНОЙ МАХОВИК ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Область техники
Предлагаемое техническое решение относится к машиностроению, а именно к арматуростроению, конкретнее к маховикам (F16K 31/60), и может быть использовано как односкоростной маховик-усилитель или как двухскоростной маховик с переключением режима с усилением входного момента на пониженной передаче на режим прямой передачи без усиления.
Устройство может устанавливаться на:
- шпиндель или ходовую гайку трубопроводной арматуры;
- вал ручного привода арматуры;
- вал ручного дублера механизированного привода.
Маховик применим к полнооборотной и неполнооборотной, запорной, регулируемой и дросселирующей арматуре с выдвижным и невыдвижным шпинделем. Применение также возможно в иных случаях передачи ручного усилия на вал приводимого устройства с функцией усиления входного момента, например в лебедках или штурвалах.
Терминология
В материалах заявки используются следующие понятия:
«Приемник, приводимое устройство» - трубопроводная арматура, ручной привод трубопроводной арматуры, ручной дублер привода трубопроводной арматуры, иной механизм или устройство, которое приводится в действие маховиком.
«Большое колесо» - колесо большего диаметра двухколесной зубчатой планетарной передачи внутреннего зацепления типа K-H-V.
«Малое колесо» - колесо меньшего диаметра двухколесной зубчатой планетарной передачи внутреннего зацепления типа K-H-V.
Отметим, что под понятие планетарной передачи внутреннего зацепления типа K-H-V согласно уровня техники прежде всего попадают передачи с собственно зубчатым зацеплением по различным кривым (эвольвентное, Новикова, конхоидное, притближенное и т.п.). К этому же типу относятся передачи с цевочным зацеплением также по различным циклоидальным кривым. При этом цевочным колесом и так называемой звездочкой могут быть как большое, так и малое колесо. К планетарной передаче типа K-H-V относятся также так называемые планетарные передачи с промежуточными телами, в которых контакт между большим и малым колесами происходит через шарик или ролик. В некоторых случаях к таким передачам совершенно необоснованно добавляют прилагательное «волновая», так как в такой передаче нет специально деформируемого звена. Таким образом, заявка относится к любым указанным вариантам передачи одного типа K-H-V, сутью которых является обкатка одного колеса по другому с передачей момента на параллельный вал, но с нюансами сцепления этой пары колес.
Уровень техники
Стандарты определяют маховик трубопроводной арматуры как орган управления в форме колеса в едином конструктивном исполнении, состоящий из обода, спиц и ступицы. Национальные нормативы ограничивают диаметр обода до 1 м, поперечное сечение обода до 40 мм и усилие на ободе до 450 Н (общемировой стандарт 360 Н). Предпочтительные значения соответствуют 0.4 м по диаметру и 200 Н по прилагаемому усилию, что дает предпочтительный момент маховика 40 Нм. Поворот маховика по часовой стрелке должен соответствовать закрытию арматуры, а против часовой стрелки - открытию. Для передачи момента маховик неподвижно закрепляется на валу приемника и использует его опоры. Допускается в едином конструктивном исполнении комбинировать маховики с другими элементами.
Нормативы ограничивают применение маховика без привода до нагрузки 250 Нм, которая при предпочтительном диаметре маховика требует усилия 625 Н. Без дополнительных ухищрений длительная нагрузка такой величины среднему человеку практически не под силу. Известно, что для арматуры типа задвижек с большим перепадом величины момента в цикле открытия/закрытия необходим двухскоростной режим. Иначе либо усилие, либо время открытия/закрытия арматуры будет чрезмерным.
Тем самым вполне очевидна актуальность создания двухскоростного маховика трубопроводной арматуры с возможностью усиления входного момента в режиме пониженной передачи.
Известны маховики в едином конструктивном исполнении, устанавливаемые на вал приемника, в которых, наряду с прямой функцией передачи на вал приложенного к ободу ручного усилия, решаются задачи двухскоростного режима. Так, в патенте RU 2416051 маховик выполнен сдвоенным для управления переключением ступеней привода. В патенте RU 132855 подобной цели служит маховик с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала. Недостатком таких маховиков является отсутствие возможности усиления момента самим маховиком.
В патентах CN 203477567 и RU 2022194 маховики могут усиливать входной вращательный момент, однако в этих решениях маховики выполнены не в едином конструктивном исполнении, не «сидят на валу», а неразделимо связаны с элементами конструкции арматуры или привода. Такая зависимость противоречит принятому определению маховика и мировой классификации изделий трубопроводной арматуры.
В прототипе - патенте SU 1196597 - маховик выполнен в едином конструктивном исполнении, устанавливается на вал приемника, а его внутреннее устройство обеспечивает возможность усиления вращательного момента. Однако использование кинетической энергии скользящих по ободу грузов малоэффективно и сомнительно из-за возможности искрообразования.
Задача, технический результат
В основу настоящего предложения поставлена задача объединения основной функции маховика, как органа прямой передачи управляющего воздействия от человека к машине, с дополнительной функцией редуцирования момента при условии соблюдения указанных нормативных требований и сохранения стандартной концепции маховика в виде обособленного устройства с узлом посадки на вал приемника.
Техническим результатом является работа маховика в режиме прямой передачи без усиления входного момента, а также в режиме понижающей передачи с усилением входного момента, иными словами, работа в двухскоростном режиме.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана кинематическая схема предлагаемой конструкции маховика, представляющая собой размещенную в ступице маховика поставленную на малое колесо типовую планетарную передачу типа K-H-V.
На фиг. 2 (выноске фиг. 1) показан пример двухпозиционного управляемого стопора переключения режимов работы маховика, выполненного в виде составного линейно перемещаемого штифта в гнездах фиксируемых звеньев.
На фиг. 3 (выноске фиг. 1) показан пример двухпозиционного управляемого стопора переключения режимов работы маховика, выполненного в виде поворотного кулака, взаимодействующего с пазами фиксируемых звеньев.
На фиг. 4 показана аналогичная фиг. 1 кинематическая схема маховика с использованием другого механизма передачи момента на параллельный вал.
На фиг. 5 показан пример реализации кинематической схемы фиг. 4.
Раскрытие, сущность предложения
Поставленная задача решается тем, что:
двухскоростной маховик для трубопроводной арматуры, содержащий узел посадки маховика на вал приемника вращающего момента, то есть на вал трубопроводной арматуры, на вал привода трубопроводной арматуры или на вал ручного дублера привода, содержащий цельную сборку из обода, спиц, корпуса ступицы, и возможно рукоятки, содержит в корпусе ступицы планетарную передачу внутреннего зацепления типа K-H-V с неподвижным малым колесом и с обкатываемым по нему большим колесом, а сборка из обода, спиц, корпуса ступицы и возможно рукоятки является водилом этой планетарной передачи;
одно колено водила, в виде нижнего торца корпуса ступицы, установлено в опоре вращения на цапфе малого колеса по его оси;
другое колено водила, в виде верхнего торца ступицы с цапфой, служит опорой вращения установленного в ней большого колеса по своей оси;
по центру малого колеса в цапфе в опоре вращения установлен выходной вал маховика, который жестко соединен муфтой с валом приемника момента;
любой применяемый в передаче K-H-V механизм передачи момента на параллельный вал передает момент от ступицы большого колеса на выходной вал маховика в режиме понижающей передачи, когда малое колесо с цапфой неподвижно связано с корпусом приемника момента стопором, например штифтом;
а в режиме прямой передачи малое колесо неподвижно связано стопором, например штифтом, либо с корпусом ступицы, либо напрямую с валом маховика, и тогда весь маховик традиционно вращается как одно целое.
В монографии [1] на стр. 11, рис. 6 изображены кинематические схемы двухколесной планетарной передачи внутреннего зацепления типа K-H-V, детально рассмотренной в книге в вариантах эвольвентного и цевочного зацепления. Передача содержит эксцентриковый вал, неподвижный корпус с установленным в нем большим колесом, обкатывающееся по нему малое колесо с вариантами механизма W передачи усиленного момента на параллельный вал. Однако входной и выходной вал вращаются в противоположных направлениях, что противоречит нормативам по управлению арматурой.
В книге приведены чертежи различных конструкций передач и редукторов этого типа в вариантах зубчатого эвольвентного и цевочного зацеплений. Показано, что
высокий КПД на уровне простой цилиндрической передачи и компактные осевые размеры.
На фиг. 1 и выносках (фиг. 2 и фиг. 3) показана кинематическая схема предлагаемого двухступенчатого маховика в режиме усиления входного момента, поставленная на неподвижное малое колесо и для примера с механизмом W в виде двойной шарнирной муфты по рис. 6 из [1].
Маховик содержит цельную сборку 1 из обода, спиц, корпуса ступицы. Для ускоренного вращения маховик иногда содержит обычную рукоятку (Рукоятка не включена в формулу и не показана на чертежах). В корпусе ступицы сборки 1 установлены звенья планетарной передачи внутреннего зацепления типа K-H-V в варианте неподвижного малого колеса. Сборка 1 по сути является водилом этой передачи. Одно колено водила 1 - нижний торец корпуса ступицы - установлено в опоре вращения на цапфе малого колеса 3 по его оси. Другое параллельно смещенное колено водила 1 - верхний торец ступицы с цапфой - служит опорой вращения установленного на ней большого колеса 2 по своей оси. По центру малого колеса в цапфе в опоре вращения установлен выходной вал маховика 4, который жестко соединен с валом 6 приемника момента 5.
В режиме понижающей передачи усиленный момент от цапфы большого колеса 2 на выходной вал 4 передается с помощью любого применяемого механизма 8 передачи момента на параллельный вал (см. [1] на стр. 11, рис. 6). В этом режиме неподвижность малого колеса 3 с цапфой обеспечивается стопором 7, например, в виде штифта в гнездах цапфы малого колеса 3 и приемника момента 5 (стопор на фиг. 1 показан условно, детально на фиг. 2 и фиг. 3).
В режиме прямой передачи малое колесо 3 с цапфой неподвижно связывается стопором 7, например кулачком (выноска фиг. 3), с пазом корпуса ступицы 1.
В этом случае маховик вращается как одно целое с валом 4 на валу приемника момента 6, то есть традиционно обеспечивается скоростной режим прямой передачи.
В более сложном для исполнения варианте, не включенном в формулу, малое колесо 3 может также связываться непосредственно с валом маховика 4 (стопор не показан).
Работа устройства
Маховик работает следующим образом.
В режиме усиления момента на пониженной передаче стопор 7 фиксирует малое колесо 3 относительно корпуса приемника 5. При вращении водила за обод сборки 1,
второй конец водила 1 обкатывает большое колесо 2 по неподвижному малому колесу 3. Большое колесо 2 при этом медленно поворачивается относительно собственной оси в направлении вращения обкатки. То есть при неподвижном малом колесе в K-H-V передаче входной и выходной валы вращаются в одном направлении. Это медленное вращение колеса 2 передается механизмом 8 на выходной вал маховика 4 и далее на вал 6 приемника момента 5.
В режиме прямой передачи без усиления момента стопор 7 фиксирует колесо 3 относительно сборки 1. Так как колесо 2 находится всегда в зацеплении с 3, то момент от усилия на ободе передается через стопор колесу 2, далее механизму 8 и выходному 4.
В режиме прямой передачи стопор 7 может фиксировать напрямую вал 4. Результат тот же. Выбор варианта фиксации делается по конструктивным причинам. В формулу включен первый вариант как предпочтительный.
Таким образом, в любом случае достигается заявленный технический результат - работа маховика в режиме прямой передачи без усиления входного момента и в режиме понижающей передачи с усилением входного момента.
Осуществление предложения, промышленная применимость
Из уровня техники хорошо известны средства, методы и конструкции промышленного применения планетарных передач типа K-H-V по схеме рис. 6 из [1] с разными видами зубчатых зацеплений: эвольвентные передачи, цевочные передачи и передачи с промежуточными телами (см. [1], [2]). Поэтому возможность промышленного применения таких передач в маховике по схеме фиг. 1 с идентичными отработанными основными узлами конструкции вполне очевидна.
На фиг. 4 показана аналогичная фиг. 1 кинематическая схема, но в варианте переноса момента механизмом параллельных кривошипов, а также с использованием полых валов 4 и 6 и центральных отверстий в 1и 2 для пропуска выдвижного шпинделя арматуры.
На фиг. 5 показан пример реализации предложения по кинематической схеме фиг. 4 и с применением подшипников скольжения в опорах вращения. Стопор 7 в режиме прямой передачи показан условно.
Обозначение позиций, работа устройства и технический результат по фиг. 4 и фиг. 5 полностью аналогичны таковым по фиг. 1.
Оценочно в габаритах предпочтительного размера маховика компонуется передача на выходной момент примерно до 1000 Нм. В этом диапазоне момента при доступной стоимости предлагаемый маховик может заместить соответствующие ручные приводы с обычными маховиками, а также часть обычных маховиков для уменьшения ручного усилия и одновременно времени работы открытия/закрытия арматуры.
Для нагрузки более 1000 Нм весьма эффективна комбинация двухскоростного маховика с односкоростными приводами, превращающая привод в двухскоростной.
Так для передаточного отношения 240 КПД червячной или спироидной одноступенчатой передачи составляет менее 0.25, двухступенчатой червячно-червячной 0.49 (см. [3], стр. 24-30). При использовании маховика с передаточным отношением 15.5 и червячной или спироидной передачи с передаточным отношением 15.5 общий КПД передачи увеличится с 0.25 до 0.68×0.92=0.63. Это почти чем в 2 раза больше, чем КПД одноступенчатого привода, и почти в 1.5 раза больше чем КПД лучшего двухступенчатого. Исключительно важно также, что на прямой передаче маховика значительно уменьшается и время открытия/закрытия арматуры. Из показанного примера видно, что резко изменяются требования к односкоростному приводу: в 10-20 раз уменьшается передаточное отношение, но при той же нагрузочной способности. В большом диапазоне моментов можно заменить передачи с большими потерями (спироидные, червячные) на передачи с большим КПД.
Варианты, зависимые пункты
В варианте применения по п. 2 предлагается в качестве подшипников опор вращения использовать подшипники скольжения (см. фиг. 5). Это наряду с достижением основного технического результата по п. 1 позволяет уменьшить габариты и повысить коррозионную стойкость.
В варианте применения по п. 3 предлагается для арматуры с выдвижным шпинделем вал маховика выполнить полым, а в верхнем торце корпуса ступицы, в малом колесе и в механизме передачи момента на параллельный вал выполнить центральные отверстия (см. фиг. 5). Основной технический результат по альтернативным пунктам очевидно тот же. Дополнительный технический результат - в возможности пропуска шпинделя.
Относительно вида зацепления. В варианте применения по п. 4 предлагается в качестве зацепления планетарной передачи K-H-V использовать передачу с преимущественно зубчатым зацеплением, которое, как известно, может иметь различные формы контура зацепления (эвольвенты, конхоиды, приближенные кривые, кусочно-гладкие и т.п). Дополнительный технический результат зубчатого зацепления состоит в меньшей требуемой точности изготовления.
Возможно использовать K-H-V передачу с цевочным зацеплением [1] или передачу K-H-V с зацеплением с промежуточными телами [4]. Эти варианты так же очевидно приводят к достижению основного технического результата, однако в формулу полезной модели они не включены. Дополнительный технический результат цевочного зацепления состоит в повышенной нагрузочной способности. Дополнительный технический результат передачи с промежуточными телами состоит в повышенной компактности.
В варианте применения по п. 5 предлагается использовать двухпозиционный переключаемый стопор 7 с рукояткой. На выноске А фиг. 2 в режиме пониженной передачи показан вариант конструкции двухпозиционного переключаемого стопора с осевым линейным перемещением двойного штифта 7 в соответствующих гнездах замыкаемого малого колеса 3 с корпусом приемника 5 и корпусом ступицы 1. При перемещении штифта 7 вверх двойной штифт 7 выходит из гнезда корпуса 5 и входит в гнездо корпуса ступицы 1. Тем самым маховик переключается на режим прямой передачи. Дополнительный технический результат состоит в упрощении и удобстве переключения.
На выноске А в варианте фиг. 3 также в состоянии включенного режима пониженной передачи показан вариант конструкции двухпозиционного переключаемого стопора 7 с вращением радиально расположенного кулачка 7 по оси на цапфе малого колеса 3, взаимодействующего с пазами корпуса ступицы 1 и корпуса приемника 5. При повороте кулачка 7 он также разрывает связь малого колеса 3 с корпусом приемника 5, но входит в зацепление с корпусом ступицы 1 и включает прямую передачу (показано пунктиром). Дополнительный технический результат состоит в упрощении и удобстве переключения. Основной технический результат тот же.
Источники информации
1. В.Н. Кудрявцев, «Планетарные передачи», М., Машиностроение, 307 с., 1966 г.
2. А.Е. Беляев, «Механические передачи с промежуточными телами», Томск, ТПИ, 1986 г.
3. В.И. Гольдфарб и др., «Спироидные редукторы трубопроводной арматуры», М., Вече, 222 с., 2011 г.