Линейный исполнительный механизм гидросооружений
LINEAR ACTUATOR OF HYDRAULIC STRUCTURES

Изобретение относится к линейным исполнительным механизмам и может быть использовано в качестве силового привода в различных гидротехнических сооружениях. При работе исполнительный механизм находиться под осевой растягивающей и сжимающей нагрузкой от гидротехнического сооружения.
Известен электромеханический линейный привод (RU №2522646 С2, опубл. 20.07.2014 г.), состоящий из корпуса; расположенного внутри корпуса электродвигателя с ротором, установленным в подшипниках и соединенным через редуктор с винтом винтового или шарико-винтового механизма; датчика положения ротора электродвигателя; толкателя, размещенного в корпусе с возможностью поступательного движения и имеющего стопор, исключающий его вращение относительно корпуса.
Недостатком данного электромеханического линейного привода является то, что вместо цилиндрического или планетарного, установлен волновой редуктор, имеющий меньший КПД и сложную технологию изготовления. Так же один из концов винта шарико-винтового механизма не имеет подвижной опоры внутри толкателя для компенсации прогиба при втянутом положении штока, что уменьшает максимальный возможный ход штока.
Известен исполнительный механизм (RU №2486104 С2, опубл. 27.06.2013 г.), состоящий из первого устройства линейного перемещения, содержащего первый винт линейного перемещения, первую гайку и первый первичный движитель, установленные с возможностью относительного линейного перемещения между первым винтом линейного перемещения и первой гайкой, и из второго устройства линейного перемещения, содержащего второй винт линейного перемещения, вторую гайку и второй первичный движитель, установленные с возможностью относительного линейного перемещения между вторым винтом линейного перемещения и второй гайкой, при этом исполнительный механизм установлен с возможностью выдвижения при относительном линейном перемещении между первым винтом линейного перемещения и первой гайкой или при относительном движении между вторым винтом линейного перемещения и второй гайкой, а первое или второе устройство линейного перемещения установлены с возможностью продолжения перемещения при заклинивании одного из устройств линейного перемещения, первого или второго, отличающийся тем, что первое устройство линейного перемещения установлено с возможностью обратного перемещения.
Недостатком исполнительного механизма является отсутствие редуктора для обеспечения большого линейного усилия на штоке, а также отсутствие подвижной опоры незакрепленного конца винта для уменьшения прогиба винта под собственным весом в горизонтальном положении и малая нагрузочная способность под действием осевой сжимающей нагрузки по критерию устойчивости.
Известен линейный актуатор (US 7594450, опубл. 29.09.2009 г.), состоящий из мотор-редуктора, содержащего двигатель и корпус, соединенный с двигателем, причем двигатель снабжен червяком, расположенным в корпусе. Механизм имеет винт, расположенный в корпусе, крепежную втулку, соединенную с винтом, червячную передачу, соединенную с креплением и соединенную с червяком в основании, и телескопическую трубу соединенную резьбой с винтом. Муфта находится в корпусе мотор-редуктора, содержит корпус муфты, неподвижно прикрепленный к винту и муфту, соединенную с фиксирующей втулкой и подвижную в осевом направлении относительно фиксирующей втулки. Тяга содержит рычаг тяги, шарниры соединенные с внешней стороной мотор-редуктора, при этом рычаг тяги снабжен выступающими частями, соответствующими муфте, для управления действием муфты. При этом винт механизма снабжен радиальным отверстием на одной стороне корпуса муфты, предусмотрена удлиненная канавка, а вставной штифт находиться в радиальном отверстии и введен в удлиненную канавку.
Недостатком линейного актуатора является применение в мотор-редукторе червячной передачи, имеющей меньший КПД по сравнению с цилиндрическими передачами, применение механического устройства включения муфты с большим количеством механических соединений.
Известен линейный актуатор (US 6145395, опубл. 14.11.2000 г.), состоящий из двигателя, удлиненного корпуса, имеющего один концевой участок рядом с двигателем и противоположный концевой участок, удаленный от него, привод, расположенный внутри корпуса и приводимый в действие двигателем для осевого перемещения в прямом и обратном направлении внутри корпуса приводной элемент, телескопически размещенный внутри корпуса и соединенный с приводом и приводимый им в действие для внешнего удлинения от противоположных концевых частей корпуса в различной степени и устройство для компенсации боковой нагрузки содержащее, по меньшей мере одно кулачковое коромысло, прикрепленное к корпусу параллельно направления осевого перемещения привода, и, по меньшей мере один кулачковый ролик, прикрепленный к приводу, в котором кулачковый ролик входит в зацепление с кулачковым коромыслом для компенсации боковой нагрузки.
Недостатком линейного актуатора является применение подшипника скольжения для подвижной опоры винта вместо подшипника качения.
Из области техники известен так же линейный актуатор (RU №2700562 С1, опубл. 20.09.2019 г.), характеризующийся наличием двигателя с выходным валом и корпуса, внутри которого расположены винтовой механизм и шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки, причем винтовой механизм включает в себя ходовой винт, взаимодействующую с ним гайку и выдвижной шток, концентрично расположенный вокруг, по меньшей мере, части ходового винта и соединенный с указанной гайкой, при этом винтовой механизм соединен с двигателем таким образом, что вращение его выходного вала вызывает осевое перемещение гайки и выдвижного штока относительно корпуса, упомянутый шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки образован, по меньшей мере, двумя продольными направляющими канавками на внутренней поверхности корпуса, по меньшей мере, двумя ответными продольными направляющими канавками на внешней поверхности выдвижного штока и шариковым сепаратором с, по меньшей мере, двумя рядами ячеек, выполненными напротив указанных направляющих канавок, в которых с возможностью свободного вращения размещены шарики, обкатывающие поверхности этих направляющих канавок.
Недостатком данного линейного механизма является отсутствие подшипника качения в подвижной опоре винта, сложность изготовления штока механизма из-за его формы, применение шариковых радиально-упорных подшипников, имеющих меньшую грузоподъемность по сравнению с упорно-радиальными сферическими.
Техническим результатом заявленной конструкции линейного механизма является повышение надежности и ресурса, упрощение конструкции, улучшение технических характеристик, расширение функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что линейный исполнительный механизм, содержит корпус, в котором размещен шток, имеющий возможность перемещаться вдоль своей оси, шток закреплен от поворота посредством сегментной шпонки, шариковинтовая передача установлена в штоке и соединена с штоком и корпусом через винт шариковинтовой передачи, с установленными на нем гайкой и обоймой, обойма содержит роликовые сферические упорно-радиальные подшипники, причем винт соединен с электродвигателем через планетарный редуктор, конец штока соединен с пружинным демпфером, который выполнен из тарельчатых пружин и опорных шайб, взаимодействующих с тарельчатыми пружинами с каждой из сторон, подшипники в обойме размещены друг от друга на расстоянии более двух внутренних диаметров подшипников. Демпфер содержит датчики перемещения тарельчатых пружин для получения информации о нагрузке на штоке. Винт с одной стороны опирается на шток через дополнительную скользящую опору, содержащую подшипник качения.
Установка подшипников в обойме на расстоянии позволяет повысить устойчивость линейного механизма при совместном действии осевой и боковой нагрузки.
Установка дополнительной подвижной опоры конца винта позволяет уменьшить прогиб винта под собственным весом и исключить чрезмерное биение конца винта при вращении.
Установка демпфера позволяет определять величину нагрузки на штоке механизма и выполняет функцию демпфирования динамических нагрузок посредством трения между тарелями.
Установка цилиндрического редуктора в качестве привода винта ШВП позволяет повысить надежность и эффективность всего механизма.
Установка шариковинтовой передачи позволяет повысить скорость выдвижения штока, эффективность и ресурс всего механизма.
На фиг. 1. представлен продольный разрез линейного исполнительного механизма
На фиг. 2 представлен продольный разрез линейного исполнительного механизма в плоскости, перпендикулярной фиг. 1.
Линейный исполнительный механизм содержит корпус 1, в котором размещен шток 2, с установленной внутри него шариковинтовой передачей 4. Шток 2 через сделанный в нем прямоугольный паз и сегментную шпонку 17 связан с корпусом 1 посредством болтов 18, сегментной шпонки 17 не позволяют штоку 2 проворачиваться вокруг своей оси. Винт 3 устанавливается в обойму 7 через роликовые сферические упорно-радиальные подшипники 11, которые расположены в обойме 7 на расстоянии более двух внутренних диаметров подшипников. Обойма 7 с подшипниками 11 связана с корпусом посредством резьбы и двух опорных поверхностей. Конец винта 3, выступающий из обоймы, связан с редуктором 8, находящимся в отдельном корпусе. Привод редуктора 8 осуществляется электродвигателем 9. Правый конец винта 3 опирается на внутреннюю поверхность штока 2 через дополнительную скользящую опору 5, содержащую подшипник качения. Шток 2 соединяется с демпфером 6, в котором установлены тарельчатые пружины 13 и датчик перемещения тарельчатых пружин 12. Крепление линейного исполнительного механизма осуществляется с помощью крестовины 14 с шарнирными подшипниками 16, связанными между собой и с корпусом 1 посредством осей.
Линейный исполнительный механизм работает следующим образом. При втягивании и выдвижении штока 2 электродвигатель 9 приводит во вращение редуктор 8, который, в свою очередь, вращает винт 3, который, вращаясь, перемещает гайку 4, установленную в штоке 2, который удерживается от реактивного момента посредством шпонки 17. При перемещении штока 2 его наружная поверхность двигается в линейном направлении, взаимодействуя с внутренней поверхностью корпуса 1 и сегментными шпонками 17. Наружная поверхность дополнительной скользящей опоры 5 взаимодействует с внутренней поверхностью штока 2, перемещаясь только в линейном направлении, причем винт 3 вращается в подшипнике дополнительной скользящей опоры 5. При достижении штоком 2 крайнего втянутого или выдвинутого положения один из двух соответствующих датчиков 10 выдает об этом сигнал. Перемещение штока приводит к изменению объема внутренней полости линейного исполнительного механизма, который компенсируется с помощью воздушного фильтра 19, выполняющего забор или выпуск воздуха.
Шток 2 в процессе перемещения воспринимает растягивающую или сжимающую нагрузку, передающуюся на тарельчатые пружины 13 демпфера 6, которые демпфируют изменение нагрузки посредством сжатия и трения между торцевыми поверхностями. Данные о нагрузке и ее изменении регистрируются датчиками перемещения тарельчатых пружин 12, как перемещение, и преобразуются по зависимости перемещения от нагрузки.