ЭЛЕКТРОПРИВОД С РУЧНЫМ ДУБЛЕРОМ ДЛЯ ШАРОВОГО КРАНА

Полезная модель относится к электроприводам с ручным дублером и может быть использована для управления шаровыми кранами, а также другими видами запорных устройств с подвижным элементом (затвором), установленным поворотно, например, с поворотными дисками или заслонками. В таких устройствах затвор может повернуться под действием среды трубопровода при выключенном электродвигателе. Поэтому для предотвращения указанного поворота привод запорных устройств с затвором, установленным поворотно, должен обладать эффектом самоторможения.
Известен электропривод с ручным дублером для шаровых кранов (Руководство по эксплуатации 1021.25.201.00.00.000 РЭ «ЭПП-1800», выпуск 2013 года), выбранный в качестве наиболее близкого аналога (прототипа).
Электропривод содержит кинематически соединенные электродвигатель и передаточный механизм. Передаточный механизм включает червячный редуктор, обладающий эффектом самоторможения, и волновой редуктор с промежуточными телами качения. Червяк указанного редуктора соединен с ротором электродвигателя. Червячное колесо неподвижно установлено на генераторе волнового редуктор с промежуточными телами качения. Сепаратор волнового редуктора с промежуточными телами качения является выходным звеном привода. При неработающем электродвигателе ручной дублер присоединяют к передаточному механизму, совмещая зубья шестерни, установленной на валу ручного дублера, и зубья плоскоцилиндрического зубчатого колеса, установленного на червяке упомянутого червячного редуктора. Ручной дублер отсоединяется от червячного редуктора под действием пружины при снятии усилия с рычага на валу ручного дублера.
Задачей полезной модели являлось повышение надежности работы электропривода и безопасности ручного дублера.
Технический результат заключается в возможности работы ручного дублера без его присоединения к передаточному механизму привода при выключении электродвигателя и отсоединения при включении электродвигателя с обеспечением компактности электропривода.
Как и наиболее близкий аналог, электропривод содержит корпус, кинематически соединенные электродвигатель и передаточный механизм, включающий волновой редуктор с промежуточными телами качения, ручной дублер, содержащий вал и рукоятку для вращения вала и выполненный с возможностью приведения в движение привода через червячную передачу.
В отличие от наиболее близкого аналога передаточный механизм дополнительно содержит планетарный редуктор, установленный соосно с упомянутым волновым редуктором с промежуточными телами качения и выполненный с возможностью самоторможения, водило которого соединено с электродвигателем, первое центральное зубчатое колесо закреплено от вращения на корпусе, второе центральное зубчатое колесо неподвижно соединено с генератором упомянутого волнового редуктора с промежуточными телами качения, первый сателлит находится во внутреннем зацеплении с первым центральным зубчатым колесом, а второй салеллит - во внутреннем зацеплении со вторым центральным зубчатым колесом, при этом сателлиты соединены неподвижно и соосно и имеют разное количество зубьев, вал ручного дублера соединен с червяком червячной передачи, червячное колесо которой установлено в корпусе с возможностью вращения и неподвижно и соосно соединено с венцом упомянутого волнового редуктора с промежуточными телами качения.
Для прекращения работы электропривода при превышении крутящего момента установленного ограничиваемого значения первое центральное зубчатое колесо закреплено от вращения упругим элементом с возможностью поворота этого колеса и отключения в результате данного поворота электропитания электропривода при ограничиваемом крутящем моменте.
Электропривод изображен на фигурах 1-5 со следующими обозначениями:
1 - корпус (фиг. 2, 3, 4, 5),
2 - электродвигатель (фиг. 1, 2),
3 - передаточный механизм (фиг. 1),
4 - волновой редуктор с промежуточными телами качения (фиг. 2),
5 - планетарный редуктор (фиг. 2),
6 - генератор (фиг. 2, 5),
7 - венец (фиг. 2, 5),
8 - сепаратор (фиг. 2, 5),
9 - тела качения (фиг. 2, 5),
10 - водило (фиг. 2, 3),
11 - первое центральное зубчатое колесо (фиг. 2, 3),
12 - второе центральное зубчатое колесо (фиг. 2, 3),
13 - первый сателлит (фиг. 2),
14 - второй сателлит (фиг. 2),
15 - пружина (фиг. 4),
16 - выступ на первом зубчатом колесе (фиг. 2, 3. 4),
17 - дополнительная пружина (фиг. 4),
18 - вал ручного дублера (фиг. 1),
19 - рукоятка ручного дублера (фиг. 1),
20 - червячная передача (фиг. 2),
21 - червяк (фиг. 2),
22 - червячное колесо (фиг. 2),
23 - выступ на корпусе для установки червячного колеса (фиг. 2),
24 - подшипник генератора (фиг. 2, 5).
Электропривод содержит корпус 1. В корпусе 1 установлены электродвигатель 2 и кинематически соединенный с ним передаточный механизм 3 (фиг. 1).
Передаточный механизм 3 включает волновой редуктор 4 с промежуточными телами качения и планетарный редуктор 5, установленный соосно с редуктором 4 (фиг. 2).
Волновой редуктор 4 с промежуточными телами качения содержит генератор волн 6 (эксцентрик), зубчатый венец 7, сепаратор 8 с установленными в нем телами качения 9 (фиг. 2, 5).
Планетарный редуктор 5 содержит водило 10, соединенное с электродвигателем 2, первое центральное зубчатое колесо 11, второе центральное зубчатое колесо 12, первый сателлит 13 и второй сателлит 14 (фиг. 2). Первое центральное зубчатое колесо 11 закреплено от вращения на корпусе 1, например, приварено или присоединено крепежными элементами.
Для прекращения работы электропривода при превышении крутящим моментом установленного ограничиваемого значения, первое центральное зубчатое колесо 11 может быть закреплено на корпусе 1 от вращения с помощью упругого элемента, например, пружины 15, прижимающей выступ 16 на колесе 11 к корпусу 1 (фиг. 3). Степень деформации пружины 15 определяет ограничиваемый крутящий момент. При возникновении в электроприводе ограничиваемого крутящего момента пружина 15 деформируется, а колесо 11 повернется, воздействуя на механизм отключения (механизм позицией на фигурах не показан) электродвигателя 2. Для условий реверса электродвигателя 2 электропривод снабжают вторым упругим элементом (дополнительной пружиной 17), который устанавливают с другой стороны выступа 16 (фиг. 4).
Второе центральное колесо 12 неподвижно соединено с генератором 6 волнового редуктора 4 с промежуточными телами качения (фиг. 2).
Первый сателлит 13 планетарного редуктора 5 находится во внутреннем зацеплении с первым центральным зубчатым колесом 11, а второй салеллит 14 - во внутреннем зацеплении со вторым центральным зубчатым колесом 12. Сателлиты 13 и 14 соединены неподвижно между собой и расположены соосно относительно друг друга. Количество зубьев на сателлитах 13 и 14 разное, что обеспечивает создание крутящего момента на втором центральном зубчатом колесе 12.
Планетарный редуктор 5 выполнен с возможностью самоторможения, то есть редуктор 5 совмещает передачу движения при включенном двигателе 2 и торможение при выключенном двигателя 2.
Возможность самоторможения планетарных редукторов известна. Так, в учебном пособии «Теория механизмов и машин» (Курсовое проектирование, издание второе, авторы В.Т. Горботенко, М.В. Горботенко, издательство Томского политехнического университета. Томск 2007 г.) на стр. 57 сказано: «КПД планетарного механизма зависит от передаточного отношения… и от величины потерь в парах зубчатых колес. При некоторых значениях передаточного отношения в случае ведущего центрального колеса возможно самоторможение механизма, так как КПД может получиться отрицательным. Самоторможение может быть, когда передаточное отношение заключено в пределах:
1-1/КПД < передаточное отношение < 1-КПД,
то есть находится в области передаточных чисел, смежных с нулем…
Когда центральное колесо будет ведомым (ведущее водило), самоторможение не может быть, поскольку не при одном значении передаточного отношения величина КПД не будет иметь отрицательного значения».
Таким образом, самоторможение может быть достигнуто подбором передаточных отношений в звеньях планетарной передачи.
При включенном электродвигателе 2 центральные колеса планетарной передачи 5 являются ведомыми, а водило 10 ведущим звеном, поэтому самоторможения не происходит.
При выключенном электродвигателе 2 второе центральное колесо 12 могло бы стать ведущим под действием среды на поворотный затвор крана. Но поскольку в звеньях планетарной передаче 5 подбором передаточных отношений достигнут эффект самоторможения, поворота второго центрального колеса 12 под действием среды не произойдет.
Ручной дублер содержит вал 18 и рукоятку 19 для вращения вала 18 (фиг. 1, 2). Вал 18 ручного дублера соединен с червяком 21 червячной передачи 20. В конкретном исполнении вал 18 и червяк 21 жестко соединены торцами. При необходимости вал 18 и червяк 21 могут быть соединены через любую кинематическую цепь. Червячное колесо 22 червячной передачи 20 установлено в корпусе 1 с возможностью вращения. Червячное колесо 22 неподвижно и соосно соединено с венцом 7 волнового редуктора 4 с промежуточными телами качения. В конкретном исполнении червячное колесо 22 установлено со свободной посадкой на кольцевой выступ 23 в корпусе 1. Между соприкасающимися поверхностями торца червячного колеса 22 и выступа 23 имеется смазка. Устройство работает следующим образом.
При включении электродвигателя 2 вращение передается на водило 10, сателлиты 13 и 14, первое центральное зубчатое колесо 11, второе центральное зубчатое колесо 12, генератор 6 волнового редуктора 4. Вращаясь, генератор 6 контактирует с телами качения 9 (фиг. 5). Вследствии этого тела качения 9 последовательно перемещаются в пазах сепаратора 8, являющегося выходным звеном волнового редуктора 4. В конкретном исполнении на шейке эксцентрика генератора 6 установлен подшипник 24 (фиг. 5). Подшипник 24 совершает планетарное движение относительно оси вращения. Наружное кольцо подшипника 24 контактирует с телами качения 9 и поступательно перемещают тела качения 9 в пазах сепаратора 8.
Венец 7 волнового редуктора 4 неподвижно соединен с червячным колесом 22 червячной передачи 20. Червячная передача, как известно, является самотормозящейся. Поэтому венец 7 останется неподвижным при включенном электродвигателе 2. Тела качения 9 обкатываются по внутренним профильным впадинам венца 7. За счет разницы количества тел качения 9 и внутренних профильных впадин венца 7 происходит поворот сепаратора 8 относительно неподвижного венца 7 (фиг. 5).
При отключении электродвигателя 2 привод может работать с помощью ручного дублера. Вращение рукоятки 19 ручного дублера передает движение на вал 18, червяк 21, червячное колесо 22, венец 7. Так как планетарный редуктор 5 выполнен с возможностью самоторможения, то генератор 6 остается неподвижным. Венец 7, вращаясь, контактирует с телами качения 9. Вследствие этого тела качения 9 последовательно перемещаются в пазах сепаратора 8, являющегося выходным звеном волнового редуктора 4, и обкатываются по внутренним профильным впадинам венца 7. За счет разницы количества тел качения 9 и внутренних профильных впадин венца 7 происходит поворот сепаратора 8 вокруг неподвижного генератора 6.
Если электродвигатель 2 будет снова включен, генератор 6 станет подвижным звеном привода. Однако его включение не нанесет травму обслуживающему персоналу, поскольку червячная передача 20 самотормозящаяся, и движение не будет передаваться от электродвигателя 2 на рукоятку 19 ручного дублера.
Таким образом, в заявляемом электроприводе с ручным дублером по сравнению с прототипом обеспечивается работа ручного дублера без его присоединения к передаточному механизму привода при выключении электродвигателя и отсоединения при включении электродвигателя, что повышает надежность работы электропривода и безопасность ручного дублера.
При этом обеспечивается компактность электропривода за счет соосного размещения планетарного редуктора 5, волнового редутора 4 и червячного колеса 22 в приводе ручного дублера.
1
Как видно из формул, приведенных в табл.6.3, КПД планетарного механизма зависит от передаточного отношения  планетарной передачи и от величины потерь в парах зубчатых колес. Анализ формул показывает, что при некоторых значениях  в случае ведущего колеса Z возможно самоторможение механизма, так как КПД может получиться отрицательным. Самоторможение может быть, когда  заключено в пределах
,
т.е. находится в области передаточных чисел, смежных с нулем. Однако при
передача может оказаться не самотормозящей, но будет иметь очень низкий КПД.
1
Когда колесо Z будет ведомым (ведущее водило H), самоторможения передачи не может быть, поскольку ни при одном из значений  величина  не будет иметь отрицательного значения [3].
Продолжение таблицы 1
Примечание: Фактические значения параметров приведены в «Формуляре» конкретного электропривода по результатам приемки на предприятии-изготовителе.
1.1.8 Состав изделия
Электропривод «ЭПП-1800» состоит из следующих основных частей (см. приложение А): редуктора (позиция 1) с приводом ручного дублера (позиция 2), блока управления (позиция 3), асинхронного электродвигателя (позиция 4).
Общий вид электропривода и схема строповки при погрузо-разгрузочных работах во время монтажа на месте применения приведены в приложении А.
Конструкция и размеры присоединительных элементов электропривода к арматуре (тип F14 по ISO 5211) приведены в приложении Б.
1.1.9 Порядок работы в автоматическом режиме от электродвигателя
При включении электродвигателя (позиция 1) (см. приложение В) вращение от шестерни (позиция 2), установленной на валу электродвигателя, передается на зубчатое колесо (позиция 3), установленное на червяке (позиция 4). С червяка (позиция 4) вращение передается через червячное колесо (позиция 5) на входной вал (позиция 6) редуктора с промежуточными телами качения и далее на выходное звено (позиция 7) электропривода.
Шестерня (позиция 8), установленная на валу блока управления (позиция 9), через зубчатое колесо (позиция 10) обеспечивает обратную передачу вращательного движения, созданного электродвигателем, на входной вал бесконтактного датчика положения блока управления, по сигналам которого в блоке управления обеспечивается формирование и подача на электродвигатель 3-х фазного напряжения питания в соответствии с заданным алгоритмом и параметрами движения (скорость, положение, моменты трогания и движения). При достижении выходным звеном электропривода заданного конечного или промежуточного положения происходит отключение электродвигателя.
Контроль текущего положения выходного звена электропривода в процессе работы ведется в блоке управления по сигналам датчика положения.
Самотормозящая червячная передача (червяк (позиция 4) и червячное колесо (позиция 5)) обеспечивает удержание выходного звена электропривода после отключения электродвигателя и исключает поворот затвора шарового крана в крайнем и любом промежуточном положении при воздействии рабочей среды.
Также в процессе работы электропривода от электродвигателя в блоке управления обеспечивается постоянный контроль величины нагрузки на выходном звене (по току электродвигателя) и отключение электродвигателя при превышении нагрузки заданного значения момента ограничения.
Информация об отключении электродвигателя, при достижении выходным звеном электропривода заданного конечного положения или при отключении по заданному моменту ограничения, выводится на индикаторы «Открыто», «Закрыто» или «Муфта» блока управления и передается по дискретным сигнальным выходам или по последовательному интерфейсу в систему телемеханики.
Регулируемые механические упоры (позиция 15) в корпусе редуктора настраиваются после установки электропривода на шаровой кран и ограничивают перемещение выходного звена (затвора шарового крана) за пределы заданных положений «ОТКРЫТО» и «ЗАКРЫТО».
Положение выходного звена (позиция 7) электропривода (затвора шарового крана) также визуально определяется по указателю (позиция 19) и лимбу (позиция 18), расположенными под стеклом смотрового окна в крышке (позиция 17).
1.1.10 Порядок работы изделия от ручного дублера
Включение привода ручного дублера электропривода обеспечивается поворотом (взводом) рычага (позиция 20) по часовой стрелке. При этом механизм ручного дублера, за счет винтовой канавки во втулке (позиция 21) и фиксатора (позиция 22), перемещается поступательно и шестерня (позиция 12) входит в зацепление с плоскоцилиндрическим зубчатым колесом (позиция 13) (см. приложение В). Совмещение зубьев шестерни и зубчатого колеса производится вращением маховика (позиция 11).
При вращении маховика (позиция 11) в направлении «Открыть» или «Закрыть», согласно маркировке на ободе маховика, происходит передача вращательного движения с шестерни (позиция 12) привода ручного дублера на плоскоцилиндрическое зубчатое колесо (позиция 13) и далее через червячную передачу и редуктор с промежуточными телами качения на выходное звено электропривода. При вращении маховика необходимо удерживать рычаг (позиция 20) во взведенном состоянии.
Максимальное усилие на ручке маховика привода ручного дублера при перемещении затвора шарового крана между крайними положениями составляет не более 360 H.
Во время работы от привода ручного дублера обеспечивается постоянный контроль в блоке управления текущего положения выходного звена электропривода по сигналам датчика положения.
Встроенный в блок управления гальванический источник питания (ГИП) обеспечивает работоспособность датчика положения и контроль текущего положения выходного звена при отсутствии на электроприводе питающего напряжения при вращении ручного дублера.
После окончания работы с приводом ручного дублера и снятия усилия с рычага (позиция 20) пружина (позиция 14) обеспечивает возврат ручного дублера в исходное положение и выход шестерни (позиция 12) из зацепления с плоскоцилиндрическим зубчатым колесом (позиция 13).
1.1.11 Маркировка и пломбирование
1.1.11.1 Маркировка электропривода и его составных частей соответствует требованиям конструкторской документации, ГОСТ 18620, ТР ТС 012/2011, ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ 30852.0, ГОСТ 31441.1.
Маркировка выполнена фотохимическим способом с элементами гравировки, обеспечивающим ее четкость и сохранность в течение всего срока службы электропривода.
1.1.11.2 В маркировку электропривода входит:
а) наименование и товарный знак ОАО «АК «Транснефть»;
б) наименование или товарный знак предприятия-изготовителя;
в) наименование и условное обозначение изделия;
г) номинальная мощность, кВт;