ЗАДВИЖКА СО СТРИКЦИОННЫМ ПРИВОДОМ
GATE VALVE WITH STRICTION DRIVE

Область техники
Изобретение относится к устройствам запорной арматуры и предназначено для открытия и закрытия потока текучей среды в трубопроводе. Оно может быть использовано в промышленности и в быту.
Предшествующий уровень техники
Ближайшим аналогом заявленного технического решения является задвижка, описанная в патенте US 4013423, дата подачи 24.10.1974. Устройство содержит корпус, состоящий из станины и крышки. В станине выполнены два патрубка. Также в станине размещен запорный элемент, он выполнен с возможностью закрывать или открывать поток текучей среды между патрубками корпуса.
При необходимости открыть задвижку запорный элемент приводят в движение, прикладывая к нему усилие. Однако вследствие накопления в корпусе песка, смолистых отложений, солей, окислов и тому подобных субстанций, а также перекосов корпуса усилие может оказаться меньше, чем сила трения запорного элемента о корпус. В таком случае наступает заклинивание задвижки.
Недостатком известной задвижки является большое усилие привода при открытии и высокая вероятность заклинивания запорного элемента в корпусе, то есть низкая надежность задвижки.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в устранении вышеотмеченных недостатков. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в уменьшении усилия привода при открытии задвижки и повышении надежности работы задвижки.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата изменена конструкция известного устройства. В конструкцию известной задвижки дополнительно введен линейный шаговый стрикционный электродвигатель, состоящий из бегуна, расположенного в канале запорного элемента. Направление канала запорного элемента совпадает с направлением перемещения запорного элемента при открытии или закрытии задвижки. Бегун соединен с корпусом при помощи штока. Бегун состоит из соединенных последовательно передней стрикционной распорной секции, ходовой стрикционной секции и задней стрикционной распорной секции.
Ходовая стрикционная секция выполнена с возможностью увеличения своей длины в направлении перемещения запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также восстановления своей длины в том же направлении при ее отключении от источника электрического напряжения.
Передняя стрикционная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при ее отключении от источника электрического напряжения.
Задняя стрикционная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при ее отключении от источника электрического напряжения.
Стрикционные секции бегуна подключают к источнику электрического напряжения и отключают от него в определенной последовательности. Переднюю стрикционную распорную секцию подключают к источнику напряжения, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции затормаживается в запорном элементе. Ходовую стрикционную секцию подключают к источнику, в результате чего она увеличивает свою длину в направлении перемещения запорного элемента. Заднюю стрикционную распорную секцию подключают к источнику, в результате чего задний конец ходовой стрикционной секции затормаживается в запорном элементе. Переднюю стрикционную распорную секцию отключают от источника, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции растормаживается в запорном элементе. Ходовую стрикционную секцию отключают от источника, в результате чего она восстанавливает (уменьшает) свою длину в направлении перемещения запорного элемента. При этом запорный элемент, будучи плотно соединенным с задней стрикционной распорной секцией, перемещается на некоторое расстояние относительно корпуса. Переднюю стрикционную распорную секцию вновь подключают к источнику напряжения. Заднюю стрикционную распорную секцию отключают от источника напряжения.
Последовательность подключения и отключения стрикционных секций бегуна повторяют вышеописанным образом, в результате чего запорный элемент движется в направлении открытия задвижки. Его движение состоит из коротких периодов поступательного движения и коротких периодов неподвижного состояния, которые составляют продольные колебания запорного элемента, или продольную вибрацию.
При затормаживании и растормаживании передней и задней стрикционных распорных секций в запорном элементе его материал приобретает быстрые поперечные колебания (вибрацию) относительно направления своего перемещения. Такие вибрации следуют из принципа работы линейных шаговых стрикционных электродвигателей и являются неотъемлемой частью их рабочего процесса. Как продольная, так и поперечная вибрация запорного элемента способствует уменьшению трения при скольжении запорного элемента в направляющих станины корпуса. В результате этого появляется возможность открыть задвижку, или же существенно уменьшить силу привода.
За счет новой конструкции устройства удается уменьшить усилие привода при открытии задвижки и уменьшить вероятность заклинивания запорного элемента в корпусе при наличии в нем песка, смолистых отложений, солей, окислов и тому подобных субстанций, а также перекосов.
Описание фигур чертежей
Указанные преимущества изобретения, а также его особенности поясняются лучшими вариантами выполнения со ссылками на чертежи.
Фиг. 1 изображает продольный разрез задвижки в закрытом состоянии. Бегун линейного шагового стрикционного электродвигателя расположен в запорном элементе. Запорным элементом является параллельный затвор. В стрикционных секциях бегуна применен пьезоэлектрический материал и электроды.
Фиг. 2 изображает продольный разрез задвижки, изображенной на фиг. 1 в открытом состоянии.
Фиг. 3 изображает продольный разрез задвижки в закрытом состоянии. Бегун линейного шагового стрикционного электродвигателя расположен в запорном элементе. В качестве запорного элемента применен клин. В стрикционных секциях бегуна применены стержни из магнитострикционного материала и катушки индуктивности.
Фиг. 4 изображает поперечный разрез задвижки, изображенной на фиг. 3.
Фиг. 5 изображает бегун стрикционного электродвигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами в той проекции, в которой он изображен на фиг. 1.
Фиг. 6 изображает бегун стрикционного электродвигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами в проекции, ортогональной к виду на фиг. 5.
Фиг. 7 изображает бегун стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности в той проекции, в которой он изображен на фиг. 3.
Фиг. 8 изображает бегун стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности в проекции, ортогональной к виду на фиг. 7.
Лучший вариант осуществления изобретения
Задвижка, изображенная на фиг. 1, содержит корпус 1, состоящий из станины 2 и крышки 3. В станине 2 выполнены два патрубка, позиции 4 и 5. Также в станине 2 размещен запорный элемент, он выполнен в виде параллельного затвора 6. Параллельный затвор 6 выполнен с возможностью закрывать или открывать поток текучей среды между патрубками 4 и 5 корпуса 1. Приводной шток 7 закреплен на крышке 3 корпуса 1. Приводной шток 7 выполнен с возможностью воспринимать усилие, необходимое для перемещения параллельного затвора 6 при закрытии или открытии потока текучей среды между патрубками 4 и 5.
В параллельном затворе 6 выполнен канал 9. Направление канала 9 совпадает с направлением перемещения параллельного затвора 6 при открытии или закрытии задвижки.
Линейный шаговый стрикционный электродвигатель состоит из бегуна 8, расположенного в передней части канала 9 параллельного затвора 6. Бегун 8 изображен в неразрезанном виде. Передняя часть бегуна 8 соединена с приводным штоком 7. Проводом 10 бегун 8 соединен со станцией управления электрическим напряжением 11.
Между крышкой 3 корпуса 1 и параллельным затвором 6 расположена деформируемая трубчатая оболочка, выполненная в виде сильфона 29. Шток 7 расположен внутри сильфона 29. Один кольцевой край сильфона 29 герметично закреплен на крышке 3, другой кольцевой край сильфона 29 герметично закреплен на параллельном затворе 6 с образованием общей герметичной внутренней полости сильфона 29 и канала 9
К внутренней герметичной полости, образованной каналом 9 и сильфоном 29 при помощи герметичного прохода 30 присоединена внутренняя полость герметичного компенсатора объема 31. Компенсатор обьема 31 выполнен в виде герметичной оболочки, например, в виде сильфона. Компенсатор обьема 31 может быть изготовлен из металла или неметаллического материала.
Канал 9, сильфон 29, герметичный проход 30 и компенсатор объема 31 могут быть полностью или частично заполнены жидкостью, в частности, полиметилсилоксановой жидкостью, перфторметилдекалином, трансформаторным маслом или иной диэлектрической жидкостью.
На фиг. 2 представлен продольный разрез задвижки, изображенной на фиг. 1, но в открытом состоянии. Бегун 8 расположен в задней части канала 9 параллельного затвора 6. Бегун 8 изображен в неразрезанном виде. Сильфон 29 сжат, компенсатор объема 31 растянут.
Задвижка, изображенная на фиг. 3, содержит корпус 1, состоящий из станины 2 и крышки 3. В станине 2 выполнены два патрубка, позиции 4 и 5. Также в станине 2 размещен запорный элемент, он выполнен в виде клина 12. Клин 12 выполнен с возможностью закрывать или открывать поток текучей среды между патрубками 4 и 5 корпуса 1. Приводной шток 7 закреплен на крышке 3 корпуса 1. Приводной шток 7 выполнен с возможностью воспринимать усилие, необходимое для перемещения клина 12 при закрытии или открытии потока текучей среды между патрубками 4 и 5.
Линейный шаговый стрикционный электродвигатель состоит из бегуна 13, расположенного в передней части канала 9 клина 12. Бегун 13 изображен в неразрезанном виде. Передняя часть бегуна 13 соединена с приводным штоком 7. Проводом 10 бегун 13 соединен со станцией управления электрическим напряжением 11.
На фиг. 4 представлен поперечный разрез задвижки, изображенной на фиг. 3. Канал с расположенным в нем бегуном закрыт пластиной трения 14.
Вместо параллельного затвора 6 (фиг. 1) или клина 12 (фиг. 3) в задвижке шиберного типа в качестве запорного элемента применен шибер. Поскольку толщина шибера меньше минимального габаритного размера линейного шагового стрикционного электродвигателя, в таком устройстве этот электродвигатель размещен на той части шибера, которая не входит в пазы (салазки) корпуса 1 при закрытии задвижки, а расположен ближе к крышке 3. В остальном конструкция и работа такой задвижки не отличается от конструкции и работы параллельной задвижки.
Бегун 8 стрикционного электродвигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами представлен на фиг. 5 в той проекции, в которой он изображен на фиг. 1. Бегун 8 состоит из передней стрикционной распорной секции 15, ходовой стрикционной секции 16 и задней стрикционной распорной секции 17. В каждой секции расположены актуаторы, собранные из пластин пьезоэлектрического материала 18 и электродов 19. Сборка и все соединения актуатора выполнены по известному из уровня техники правилу, с учетом чередования направления поляризации пластин пьезоэлектрического материала 18 по высоте (длине) актуатора. В каждой распорной секции 15 и 17 может быть расположено несколько актуаторов параллельно.
Передняя стрикционная распорная секция 15 выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при ее отключении от источника электрического напряжения. Передняя стрикционная распорная секция 15 соединена с корпусом 1, с его крышкой 3.
Ходовая стрикционная секция 16 выполнена с возможностью увеличения своей длины в направлении перемещения запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также восстановления своей длины в том же направлении при ее отключении от источника электрического напряжения.
Задняя стрикционная распорная секция 17 выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при ее отключении от источника электрического напряжения.
Бегун 8 стрикционного электродвигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами, изображенный на фиг. 5, но в ортогональной проекции, представлен на фиг. 6.
Для перемещения запорного органа задвижки может быть применен стрикционный электродвигатель, имеющий бегун с электрострикционым материалом. В этом случае бегун имеет конструкцию, аналогичную бегуну 8 с пьезоэлектрическим материалом.
Бегун 13 стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности представлен на фиг. 7 в той проекции, в которой он изображен на фиг. 3. Бегун 13 состоит из передней стрикционной распорной секции 20, ходовой стрикционной секции 21 и задней стрикционной распорной секции 22. В каждой секции расположены актуаторы, выполненные из стержней магнитострикционного материала 23 и катушками индуктивности 24. В каждой распорной секции 20 и 22 может быть расположено несколько актуаторов параллельно.
Бегун 13 стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности, изображенный на фиг. 7, но в ортогональной проекции, представлен на фиг. 8.
Бегун 13 состоит из соединенных последовательно передней стрикционной распорной секции, ходовой стрикционной секции и задней стрикционной распорной секции.
Передняя стрикционная распорная секция 20 выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при ее отключении от источника электрического напряжения. Передняя стрикционная распорная секция 20 соединена с корпусом 1, с его крышкой 3.
Ходовая стрикционная секция 21 выполнена с возможностью увеличения своей длины в направлении перемещения запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также восстановления своей длины в том же направлении при ее отключении от источника электрического напряжения.
Задняя стрикционная распорная секция 22 выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при ее подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при ее отключении от источника электрического напряжения.
Устройство работает следующим образом.
У задвижки, изображенной на фиг. 1 и 2 стрикционные секции бегуна 8 при посредстве станции управления электрическим напряжением 11 подключают к источнику электрического напряжения и отключают от него в определенной последовательности. Вначале переднюю стрикционную распорную секцию 15 подключают к источнику напряжения, в результате чего на электродах 19 (фиг. 5) ее актуатора возникает электрический потенциал. Этот электрический потенциал создает в пластинах пьезоэлектрического материала 18 ее актуатора электрическое поле, отчего пластины 18 стремятся увеличить свою толщину. Однако, в силу жесткости конструкции распорной секции 15 она распирается в канале 9 (фиг. 1 и 2) параллельного затвора 6. Соответственно передний конец ходовой стрикционной секции 16 затормаживается в параллельном затворе 6.
Ходовую стрикционную секцию 16 подключают к источнику напряжения, в результате чего на электродах 19 (фиг. 5 и 6) ее актуатора возникает электрический потенциал. Этот электрический потенциал создает в пластинах пьезоэлектрического материала 18 ее актуатора электрическое поле, отчего пластины 18 увеличивают свою толщину. Соответственно, ходовая стрикционная секция 16 увеличивает свою длину в сторону, противоположную крышке 3 в направлении перемещения параллельного затвора 6 при открытии или закрытии задвижки (фиг. 1 и 2).
Заднюю стрикционную распорную секцию 17 подключают к источнику напряжения, в результате чего на электродах 19 (фиг. 5) ее актуатора возникает электрический потенциал. Этот электрический потенциал создает в пластинах пьезоэлектрического материала 18 ее актуатора электрическое поле, отчего пластины 18 стремятся увеличить свою толщину. Однако, в силу жесткости конструкции распорной секции 17 она распирается в канале 9 (фиг. 1 и 2) параллельного затвора 6. Соответственно задний конец ходовой стрикционной секции 16 (фиг. 5 и 6) затормаживается в параллельном затворе 6 таким же образом, как был заторможен ее передний конец.
Переднюю стрикционную распорную секцию 15 отключают от источника напряжения, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции 16 растормаживается в параллельном затворе 6 - секция 15 перестает давить на стенки канала 9 изнутри. Ходовую стрикционную секцию 16 отключают от источника напряжения, в результате чего она восстанавливает (уменьшает) свою длину. При этом параллельный затвор 6, будучи в данное мгновение плотно соединенным с задней стрикционной распорной секцией 17, перемещается на некоторое расстояние относительно корпуса 1 в сторону крышки 3. Переднюю стрикционную распорную 15 секцию вновь подключают к источнику напряжения. Заднюю стрикционную распорную 17 секцию отключают от источника напряжения.
Последовательность электрического подключения и отключения стрикционных секций бегуна 8 повторяют вышеописанным образом, в результате чего параллельный затвор 6 движется в направлении открытия задвижки, то есть в сторону крышки 3. При затормаживании и растормаживании передней 15 и задней 17 стрикционных распорных секций в канале 9 (фиг. 1 и 2) параллельного затвора 6 его материал приобретает быстрые поперечные колебания (вибрацию) относительно направления своего перемещения. При удлинении и сокращении ходовой секции 16 в материале параллельного затвора 6 возникает продольная вибрация. Вибрации следуют из принципа работы шаговых стрикционных электродвигателей и являются неотъемлемой частью их рабочего процесса. Как продольная, так и поперечная вибрация параллельного затвора 6 способствует уменьшению трения при его скольжении в направляющих станины 2 корпуса 1. В результате этого появляется возможность открыть задвижку, или же существенно уменьшить силу привода.
Сильфон 29 сжимается вдоль своей продольной оси при движении параллельного затвора 6 в направлении открытия задвижки, то есть в направлении крышки 3. Если канал 9 и внутренняя полость сильфона 29 заполнены жидкостью, то при сжатии сильфона 29 излишний объем этой жидкости по герметичному проходу 30 перетекает в компенсатор объема 31, растягивая его оболочку.
Когда при таком движении параллельного затвора 6 он доходит до положения, при котором просвет между патрубками 4 и 5 оказывается полностью открытым, станция управления электрическим напряжением 11 перестает осуществлять периодическое подключение секций 15, 16 и 17 (фиг. 5 и 6) к источнику электрического напряжения и отключение от него. Она обеспечивает постоянное соединение по меньшей мере одной из распорных секций 15, 17 с источником, удерживая параллельный затвор 6 в положении, соответствующем открытой задвижке.
Для закрытия задвижки применяют аналогичную последовательность действий. Отличие состоит в том, что последовательность подключения передней стрикционной распорной секции 15 к источнику электрического напряжения и отключения от него, применявшуюся для открытия задвижки, для ее закрытия применяют к задней стрикционной распорной секции 17. А последовательность подключения и отключения задней стрикционной распорной секции 17, применявшуюся для открытия задвижки, для ее закрытия применяют к передней стрикционной распорной секции 15.
Сильфон 29 (фиг. 1 и 2) растягивается вдоль своей продольной оси при движении параллельного затвора 6 в направлении закрытия задвижки. Если канал 9 и внутренняя полость сильфона 29 заполнены жидкостью, то при требуемый при растяжении сильфона 29 дополнительный объем жидкости по герметичному проходу 30 перетекает из компенсатора объема 31, сжимая его оболочку.
У задвижки, изображенной на фиг. 3 и 4 стрикционные секции бегуна 13 при посредстве станции управления электрическим напряжением 11 подключают к источнику электрического напряжения и отключают от него в определенной последовательности. Вначале переднюю стрикционную распорную секцию 20 подключают к источнику напряжения, в результате чего в ее катушке индуктивности 24 (фиг. 7) возникает электрический ток. Электрический ток создает в стержне магнитострикционного материала 23, вокруг которого расположена эта катушка, магнитное поле, отчего стержень 23 стремится увеличить свою длину. Однако, в силу жесткости конструкции распорной секции 20 он распирается в канале 9 (фиг. 3 и 4) клина 12. Соответственно передний конец ходовой стрикционной секции 21 затормаживается в клине 12.
Ходовую стрикционную секцию 21 подключают к источнику напряжения, в результате чего в ее катушке индуктивности 24 (фиг. 7 и 8) возникает электрический ток. Электрический ток создает в стержне магнитострикционного материала 23, вокруг которого расположена эта катушка, магнитное поле, отчего стержень 23 увеличивает свою длину. Соответственно, ходовая стрикционная секция 21 увеличивает свою длину в сторону, противоположную крышке 3 в направлении перемещения параллельного затвора 6 при открытии или закрытии задвижки (фиг. 3 и 4).
Заднюю стрикционную распорную секцию 22 подключают к источнику напряжения, в результате чего в ее катушке индуктивности 24 (фиг. 7) возникает электрический ток. Электрический ток создает в ее стержне магнитострикционного материала 23, вокруг которого расположена эта катушка, магнитное поле, отчего стержень 23 стремится увеличить свою длину. Однако, в силу жесткости конструкции распорной секции 22 он распирается в канале 9 (фиг. 3 и 4) клина 12. Соответственно задний конец ходовой стрикционной секции 21 затормаживается в клине 12 таким же образом, как был заторможен ее передний конец.
Переднюю стрикционную распорную секцию 20 (фиг. 7 и 8) отключают от источника напряжения, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции 21 растормаживается в клине 12 - секция 20 перестает давить на стенки канала 9 изнутри. Ходовую стрикционную секцию 21 отключают от источника напряжения, в результате чего она восстанавливает (уменьшает) свою длину. При этом клин 12, будучи в данное мгновение плотно соединенным с задней стрикционной распорной секцией 22, перемещается на некоторое расстояние относительно корпуса 1 в сторону крышки 3. Переднюю стрикционную распорную секцию 20 вновь подключают к источнику напряжения. Заднюю стрикционную распорную секцию 22 отключают от источника напряжения.
Последовательность подключения и отключения стрикционных секций бегуна 13 повторяют вышеописанным образом, в результате чего клин 12 движется в направлении открытия задвижки, то есть в сторону крышки 3. При затормаживании и растормаживании передней 20 и задней 22 стрикционных распорных секций в канале 9 (фиг. 3 и 4) клина 12 его материал приобретает быстрые поперечные колебания (вибрацию) относительно направления своего перемещения. При удлинении и сокращении ходовой секции 21 в материале клина 12 возникает продольная вибрация. Как продольная, так и поперечная вибрация клина 12 способствуют уменьшению трения при его скольжении в направляющих станины 2 корпуса 1. В результате этого появляется возможность открыть задвижку, или же существенно уменьшить силу привода.
Когда при таком движении клина 12 он доходит до положения, при котором просвет между патрубками 4 и 5 оказывается полностью открытым, станция управления электрическим напряжением 11 перестает осуществлять периодическое подключение секций 20, 21 и 22 (фиг. 7 и 8) к источнику электрического напряжения и отключение от него. Она обеспечивает постоянное соединение по меньшей мере одной из распорных секций 20, 22 с источником, удерживая клин 12 в положении, соответствующем открытой задвижке.
Для закрытия задвижки применяют аналогичную последовательность действий. Отличие состоит в том, что последовательность подключения к источнику электрического напряжения и отключение от него передней стрикционной распорной секции 20, применявшейся для открытия задвижки, для закрытия применяют к задней стрикционной распорной секции 22. А последовательность подключения к источнику электрического напряжения и отключение от него задней стрикционной распорной секции 22, применявшейся для открытия задвижки, для закрытия применяют к передней стрикционной распорной секции 20.
Использование в промышленности
Наиболее успешно заявленное устройство может быть использовано в промышленности в системах трубопроводного транспорта и в быту.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.