Электропривод с ручным дублером

Полезная модель относится к приводам управления трубопроводной арматурой и может быть использована в трубопроводном транспорте для управления потоком рабочей среды, например нефти, газа и других продуктов.
Привод с комбинированным управлением трубопроводной арматурой от электродвигателя и вручную в общем случае содержит электродвигатель с редуктором и ручной дублер для управления арматурой в условиях аварийного отключения электричества. Основной проблемой таких приводов является безопасное переключение исполнительного механизма с электрического на ручное управление и обратно.
Известны приводы GB 2404717 (опубл. 09.02.2005) и RU 2332607 (опубл. 27.08.2007), 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. Основным недостатком таких приводов является большая зависимость от человеческого фактора, так как переключение с ручного управления на электрическое возможно только оператором на месте.
Известен привод с ручным дублером для затвора клапана, регулирующего давление в трубопроводе в автоматическом режиме, по патенту RU 56542 (опубл. 10.09.2006). Привод содержит корпус с отверстием, расположенные 8 корпусе электродвигатель с регулирующим органом, редуктор, входное звено которого кинематически соединено с валом электродвигателя, а выходное звено установлено напротив отверстия в корпусе, ручной дублер, включающий вал и рукоятку для вращения вала и выполненный с возможностью кинематического соединения и разъединения с электроприводом при продольном перемещении вала ручного дублера. Вал ручного дублера расположен перпендикулярно валу электродвигателя, на валу ручного дублера неподвижно установлено зубчатое колесо, на валу электродвигателя неподвижно установлено зубчатое колесо, зубчатый венец которого расположен на его торцевой поверхности и выполнен с возможностью кинематического соединения с зубчатым колесом на валу ручного дублера при продольном перемещении вала ручного дублера в направлении вала электродвигателя, причем на валу ручного дублера расположена пружина сжатия, установленная с возможностью сжатия при продольном перемещении вала ручного дублера по направлению к валу электродвигателя.
При ручном управлении приводом оператору приходится одновременно давить на маховик, преодолевая сопротивление пружины, и вращать его, что неудобно и требует больших физических усилий. При неожиданном включении электропитания во время работы с ручным дублером возникает удар на маховик, т.к. дублер отключается только после того, как оператор опускает маховик, что может привести к травмированию обслуживающего персонала. Т.о. такой ручной дублер очень неудобен в эксплуатации и опасен для оператора.
Известен электропривод с ручным дублером по патенту RU 2364780, 20.08.2009. Электропривод содержит, корпус, вал электродвигателя, вал редуктора, вал ручного дублера выполнен из двух полувалов, один из которых несет на себе штурвал, а другой зубчатое колесо 14, валы соединены посредством муфты, валы редуктора и ручного дублера расположены перпендикулярно друг другу.
Указанное зубчатое колесо 14 имеет возможность зацепления с зубчатым колесом 9, жестко посаженным на валу электродвигателя. Зубчатое колесо 14 зацепляют с колесом 9 только при включенном ручном дублере. При этом зубчатые колеса 14 и 9 перемещают в положение зацепления при помощи ручного рычага 16.
Недостатком электропривода является неудобство в работе из-за необходимости ручного переключения режимов работы с электрического на ручной.
Другим недостатком электропривода является то, что при остановленном электродвигателе и ручном дублере зубчатое колесо 14 выведено из зацепления с колесом 9, т.е. колесо 9 не имеет упора в колесо 14. Воздействие крутящего момента со стороны трубопроводной арматуры на вал редуктора при отсутствии упора колеса 9 в колесо 14 приводит к самопроизвольному изменению положения арматуры, а следовательно, к аварийной ситуации на трубопроводе.
Следующий недостаток электропривода заключается в том, что динамический удар от включенного двигателя может ощущаться оператором (стр. 5, строки 37-38), т.е. не исключена передача крутящего момента с электродвигателя на штурвал ручного дублера.
Таким образом, в данном электроприводе отсутствует автоматическое включением-выключение ручного дублера, не исключена передача крутящего момента с электродвигателя на штурвал ручного дублера во время работы оператора с ручным дублером, а также не исключено самопроизвольное изменение положения арматуры при остановленном электродвигателе и ручном дублере, За ближайший аналог выбран привод RU 2323380 (опубл. 27.04.2008) с автоматическим включением-выключением ручного дублера. Привод содержит корпус, в котором расположены электродвигатель, редуктор и ручной дублер. Валы электродвигателя и редуктора связаны посредством двухсторонней обгонной муфты, на наружной обойме которой заодно с ней выполнено зубчатое колесо. Ручной дублер включает штурвал, установленный вокруг корпуса и соединенный своими спицами с колесом с внутренними зубьями, причем диаметр штурвала для его практического использования, особенно в зимних условиях, значительно превышает диаметр корпуса. Колесо с внутренними зубьями и зубчатое колесо на двухсторонней обгонной муфте связаны между собой через паразитные шестерни. Герметизация внутренней полости корпуса обеспечена эластичной манжетой, установленной по наружному диаметру корпуса на колесе с внутренними зубьями. Двухсторонняя обгонная муфта содержит звездочку с выступами. По обе стороны от каждого выступа расположены подпружиненные тела качения. Между телами качения расположены вилки водила. Т.е. расположение деталей по окружности следующее: вилка водила, тело качения, пружина, выступ, пружина, тело качения, вилка водила и т.д.
При вращении вала электродвигателя в одну из сторон водило своими вилками давит на тела качения/расположенные по ходу вращения водила, полностью выводя из заклинивания только расположенные по ходу его вращения тела качения и передавая вращение ведомому звену обгонной муфты - звездочке. Остальные тела качения создают небольшой момент сопротивления вращению звездочки относительно обоймы, вызванный трением скольжения этих тел качения относительно наружной обоймы и звездочки. При этом наружная обойма удерживается от вращения за счет силы трения между эластичной манжетой и корпусом. Недостатком привода является то, что ввиду возможного разрушения материала манжеты при работе в неблагоприятных полевых условиях и от постоянных нагрузок, возможна передача крутящего момента с электродвигателя на ручной дублер. Такая передача крутящего момента особенно опасна при неожиданном включении электродвигателя во время работы оператора с ручным дублером, т.к. может привести к травматизму персонала.
При остановленном электродвигателе и ручном дублере на выходной вал редуктора воздействует крутящий момент со стороны трубопроводной арматуры (от действия неуравновешенных усилий текучей среды), который передается на входной вал редуктора и соединенную с ним звездочку обгонной муфты. Другим недостатком привода является то, что этот крутящий момент останавливают также за счет силы трения между эластичной манжетой и корпусом, что ненадежно по вышеуказанным причинам, и может привести к самопроизвольному изменению положения арматуры, а следовательно, к аварийной ситуации на трубопроводе.
Следующим недостатком привода является то, что штурвал имеет относительно большой диаметр с опорой его спиц на снабженное герметизирующей манжетой колесо с внутренними зубьями, в результате чего, особенно при расположении поста управления с одной стороны, штурвал подвержен перекосу, что приводит к разгерметизации корпуса.
Таким образом, остается актуальной задача создания надежного и безопасного в эксплуатации привода, с автоматическим включением-выключением ручного дублера, в котором исключена передача крутящего момента с электродвигателя на штурвал ручного дублера как в штатном режиме электрического управления, так и при неожиданном включении электродвигателя во время работы оператора с ручным дублером, а также исключено самопроизвольное изменение положения арматуры при остановленном электродвигателе и ручном дублере.
Для решения поставленной задачи электропривод с ручным дублером, как и ближайший аналог, содержит корпус, в котором вал электродвигателя соединен с валом редуктора через обгонную муфту, на наружной обойме которой жестко установлено зубчатое колесо.
В отличие от ближайшего аналога, вал ручного дублера выполнен из двух полувалов, один из которых несет на себе штурвал, а другой - зубчатое колесо. Полувалы соединены посредством необратимой муфты, выполненной с возможностью передачи вращения только со стороны штурвала. Валы редуктора и ручного дублера расположены перпендикулярно друг другу, и зубчатые колеса образуют зубчатую передачу.
Кроме того, необратимая муфта может быть выполнена со стопором, установленным поперек ее обоймы между вилками полувалов, причем стопор имеет возможность заклинивания в обойме.
Кроме того, стопор прижат упругим элементом к вилке полувала, несущего штурвал.
Кроме того, упругий элемент размещен в соосных углублениях стопора и вилки полувала, несущего зубчатое колесо.
Кроме того, полувал, несущий штурвал, имеет возможность выведения стопора из заклиненного положения.
На фиг. 1 представлено осевое сечение привода; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1, показывающее обгонную муфту; на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 1, показывающее необратимую муфту.
Электропривод с ручным дублером (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлены вал 2 электродвигателя и вал 3 редуктора (сами электродвигатель и редуктор на фигуре не показаны).
Вал 2 электродвигателя и вал 3 редуктора связаны посредством обгонной муфты 4 двухстороннего действия. Обгонная муфта 4 (фиг. 1, 2) содержит наружную обойму 5, водило 6 (ведущее звено), выходной вал 7, звездочку 8 (ведомое звено), тела качения 9 и пружины 10. На наружной обойме 5 жестко установлено зубчатое колесо 11.
Вал ручного дублера (фиг. 1) содержит входной полувал 12 со штурвалом 13, установленным на входном, полувалу 12 с обеспечением герметичности, и выходной полувал 14 с зубчатым колесом 15. Полувалы 12 и 14 соединены посредством необратимой муфты 16 двухстороннего действия, выполненной с возможностью передачи вращения только со стороны штурвала 13. Вал ручного дублера установлен перпендикулярно валу 3 редуктора. Зубчатые колеса 11 и 15 находятся в зубчатом зацеплении между собой, т.е. образуют зубчатую передачу. Необратимая муфта 16 может быть любой конструкции, например, на основе храпового механизма, заклиненного стопора и др.
Предпочтительно выполнение необратимой муфты 16 (фиг. 1, 3) по меньшей мере с одним стопором 18, установленным поперек обоймы 17 с возможностью заклинивания в ней. При этом входной полувал 12 своей вилкой 19 соединен с вилкой 20 выходного полувала 14 через стопор 18. Поверхности стопора 18 (фиг. 3), сопряженные с обоймой 17, скошены встречно друг другу в направлении вилки 20. Стопор 18 прижат упругим элементом 21 к вилке 19 входного полувала 12. Упругий элемент 21 размещен в соосных углублениях стопора 18 и вилки 20.
Для закрытия (открытия) трубопроводной арматуры включается электродвигатель. Вращение вала 2 электродвигателя в любую сторону передается на водило 6. Водило 6 воздействует на тела качения 9, расположенные по ходу его вращения, сжимает сопряженные с ними пружины 10 и выводит тела качения 9, расположенные по ходу вращения водила 6, из заклиненного положения. Момент сопротивления вращению звездочки 8 со стороны остальных тел качения 9 не передается через наружную обойму 5 на ручной дублер благодаря необратимой муфте 16, и звездочка 8 через выходной вал 7 передает вращение на вал 3 редуктора. В частном случае выполнения необратимой муфты 16, наружная обойма 5 удерживается от вращения благодаря упору вилки 20 выходного полувала в заклиненный поперек обоймы 17 стопор 18, который прижат упругим элементом 21 к вилке 19 входного полувала. Таким образом, исключена передача крутящего момента с электродвигателя на штурвал ручного дублера в режиме электрического управления.,
Вращение штурвала 13 ручного дублера в любую сторону передает вращение входному полувалу 12, который через необратимую муфту 16 передает вращение выходному полувалу 14. В частном случае выполнения необратимой муфты 16, вращение штурвала 13 передает вращение входному полувалу 12 с вилкой 19. Вращение вилки 19 входного полувала 12 поджимает упругий элемент 21 и выводит стопор 18 из заклиненного положения благодаря его скошенным в направлении вилки 20 поверхностям/что приводит к передаче вращения выходному полувалу 14 через его вилку 20. Далее выходной полувал 14 посредством зубчатой передачи приводит во вращение наружную обойму 5. Наружная обойма 5 захватывает тела качения 9 по ходу ее вращения, что приводит к вращению вала 3 редуктора. В результате, крутящий момент со штурвала 13 ручного дублера передается на редуктор для закрытия (открытия) трубопроводной арматуры в ручном режиме управления.
При включении электродвигателя водило 6 выводит тела качения 9, расположенные по ходу вращения, из заклиненного положения и расцепляет их связь с наружной обоймой 5. Передача на ручной дублер момента сопротивления вращению звездочки 8, вызванного трением скольжения остальных тел качения 9 относительно наружной обоймы 5 и звездочки 8, исключена благодаря необратимой муфте 16. В частности, благодаря заклиненному положению стопора 18 в обойме 17. Для лучшего заклинивания стопор 18 прижат упругим элементом 21 к вилке 19 входного полувала 12. Одновременно с этим электродвигатель своим валом 2 через водило 6, тела качения 9, звездочку 8 и выходной вал 7 передает вращение на вал 3 редуктора и далее на трубопроводную арматуру.
При остановленном электродвигателе и ручном дублере на выходной вал редуктора (на фигуре не показан) воздействует крутящий момент со стороны трубопроводной арматуры (от действия давления текучей среды), который передается на вал 3 редуктора, выходной вал 7 и соединенную с ним звездочку 8 обгонной муфты 4. Звездочка 8 захватывает тела качения 9 по ходу ее вращения и заклинивает их между скошенными плоскостями звездочки 8 и наружной обоймой 5, за счет чего создает на последней крутящий момент. Наружная обойма 5 при этом остается неподвижной; благодаря необратимой муфте 16. В частности, благодаря упору вилки 20 выходного полувала в заклиненный поперек обоймы 17 стопор 18, который прижат упругим элементом; 21 к вилке 19 входного полувала. В результате, исключено самопроизвольное изменение положения арматуры от воздействия неуравновешенных усилий, создаваемых находящейся под давлением текучей средой, и следовательно, исключены аварийные ситуации на трубопроводе.
Таким образом, предложена очень надежная, безопасная и удобная в эксплуатации конструкция привода запорной арматуры с автоматическим включением-выключением ручного дублера.