ПРИВОД КЛАПАНА И КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО
DRIVE OF VALVE AND VALVE DESIGN

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к приводу клапана. Более конкретно, изобретение относится к управляемому электрическим образом приводу клапана, имеющему функцию пружинного возврата.
Уровень техники
Во многих устройствах для сжатия газа имеют место так называемые «пульсации», когда давление на выходе компрессора слишком велико по отношению к расходу потока. Поскольку пульсации могут вызвать серьезные повреждения компрессора и другого оборудования, а также поставить под угрозу жизнь человека, необходим антипомпажный клапан для предотвращения пульсаций путем стравливания давления на выходе компрессора. В случае возникновения избыточного выходного давления или когда такое давление вот-вот возникнет происходит открытие антипомпажного клапана и сброс выходного давления. В зависимости от рабочей текучей среды и окружающих условий антипомпажный клапан может быть включен между входом и выходом компрессора или может продувать выход компрессора в атмосферу или судно-хранилище.
Для предотвращения повреждения оборудования или возникновения угрозы жизни, крайне необходимо быстрое открытие клапана. Обычно требуемое время открытия составляет всего лишь несколько секунд. Такое временное ограничение ставит под вопрос использование электрических приводов клапана. В то время как гидравлические линейные приводы обычно способны открывать клапан за указанное время, электрические приводы более медленны вследствие наличия редуктора и механизма преобразования вращательного движения в линейное, что создает большие фрикционные и инерционные силы в передаче.
В патенте США №6572076 раскрыт привод клапана, содержащий электрический двигатель, который перемещает шток клапана. Предусмотрена сжимаемая пружина, действующая в качестве отказоустойчивого устройства в случае потери мощности. Сначала двигатель работает в обратном направлении для сжатия пружины, которая запирается с использованием электромагнита. Затем двигатель работает на закрытие и открытие клапана управляемым образом без сжатия или освобождения пружины. В экстренном случае потеря мощности вызывает выключение электромагнита, освобождение пружины, тем самым принудительное закрытие клапана.
Раскрытие изобретения
В первом аспекте изобретение предлагает отказоустойчивый привод клапана, содержащий корпус; шток клапана, соединенный с затворным элементом, перемещаемым между первым и вторым положениями; пружину для смещения затворного элемента из указанного первого положения в указанное второе положение; первые приводные средства для напряжения пружины и удерживания пружины в сжатом состоянии; вторые приводные средства для перемещения затворного элемента из первого положения во второе положение, включающие в себя передачу с роликовым ходовым винтом, причем вторые приводные средства выполнены с возможностью независимой работы от первых приводных средств; и деблокирующие средства, освобождающие пружину для возврата затворного элемента во второе положение.
В предпочтительном варианте первые приводные средства выполнены в виде электрического двигателя, а пружина содержит пружинный элемент для смещения штока клапана во второе положение, причем первые приводные средства выполнены с возможностью перемещения пружинного элемента в напряженное положение, и предусмотрены тормозные средства для избирательного удерживания пружинного элемента в напряженном положении, при этом вторые приводные средства выполнены с возможностью перемещения штока клапана независимо от пружинного элемента, когда тормозные средства сцеплены, причем пружинный элемент возвращает шток клапана во второе положение, когда тормозные средства расцеплены.
Вторые приводные средства предпочтительно выполнены в виде электрического двигателя.
Во втором аспекте изобретение предлагает отказоустойчивое клапанное устройство, предназначенное для использования в подводных условиях, содержащее корпус; шток клапана, перемещаемый между первым и вторым положениями для управления затворным элементом; пружину для смещения штока клапана из указанного первого положения в указанное второе положение; первые приводные средства для напряжения пружины и удерживания пружины в сжатом состоянии; вторые приводные средства для перемещения штока клапана из первого положения во второе положение, включающие в себя передачу с роликовым ходовым винтом, причем затворный элемент перемещается независимо от положения пружины; и тормозное устройство сцепления, удерживающее первые приводные средства против действия усилия пружины, причем пружина освобождается при потере мощности, подаваемой на тормозное устройство сцепления.
Первые и вторые приводные средства могут быть выполнены в виде электрического двигателя. Тормозное устройство сцепления предпочтительно содержит соленоид.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлено частичное поперечное сечение привода согласно настоящему изобретению в рабочем режиме.
На фиг.2 представлено частичное поперечное сечение привода в режиме пружинного возврата.
На фиг.3 представлен удерживающий тормоз двигателя.
На фиг.4a-d представлены стадии работы тормоза по фиг.3.
На фиг.5-7 представлена последовательность стадий открытия и закрытия клапана.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен комбинированный чертеж, иллюстрирующий привод в рабочем режиме с левой и правой сторонами, соответствующими открытому и закрытому положениям клапана.
Блок 100 пружинного возврата закреплен на плите 50 и содержит внешний корпус, включающий в себя внешнюю стенку 110, верхнюю пластину 114 и нижнюю пластину 112. Верхняя пластина 114 прикреплена к плите 50 при помощи болтов 115. С нижней пластиной жестко соединена цилиндрическая втулка 166, проходящая вверх внутрь корпуса. Кольцевой пружинодержатель 168 установлен с возможностью осевого перемещения вдоль наружной поверхности втулки 166. Нижняя пластина 112, втулка 166, пружинодержатель 168 и внешняя стенка 110 образуют таким образом камеру 116 пружины, заключающую в себе пружинный элемент 130. Пружинный элемент 130 может содержать любой пригодный упругий элемент, такой как винтовая пружина или пакет тарельчатых пружин.
Втулка 166 снабжена верхней крышкой 167. Верхняя крышка 167 и нижняя пластина 112 имеют отверстия, через которые проходит шток 170 клапана, снабженный скользящим уплотнением (не показано), таким образом, что шток может перемещаться в осевом направлении в корпусе блока 100. При перемещении шток 170 клапана входит в зацепление с затворным элементом клапана (не показан) и выходит из этого зацепления.
Приводная втулка 120 пружины включает в себя нижнюю часть 126, которая упирается в пружинодержатель 168, среднюю часть 124 и верхнюю часть 132. Средняя часть 124 имеет наименьший наружный диаметр и заканчивается заплечиками 127 и 131, которые ограничивают осевое движение приводной втулки. Средняя часть 124 проходит через отверстие в плите 50 и снабжена, по меньшей мере, на части своей длины резьбой 122. Верхний конец верхней части 132 снабжен подшипниками 140 и к нему прикреплена втулка 138 муфты. Вращающаяся втулка 118 прикреплена к плите 50 таким образом, что она может поворачиваться в подшипниках 117, но остается неподвижной в осевом направлении. Вращающаяся втулка 118 имеет внутреннюю резьбу, которая взаимодействует с резьбой 122 на средней части 124 приводной втулки 120 пружины. Шток 170 клапана может перемещаться в осевом направлении внутри средней части 124 приводной втулки. Верхняя часть 132 снабжена шпонками 136, которые взаимодействуют с соответствующими шпоночными канавками, выполненными на втулке 134 предотвращения вращения. Понятно, что приводная втулка 120 пружины может свободно перемещаться в осевом направлении, но ее вращение относительно плиты 50 предотвращено.
Блок 150 передачи содержит корпус, который своим нижним концом жестко прикреплен к плите 50 и содержит наружную стенку 152 и верхнюю крышку 154. Втулка 134 предотвращения вращения жестко удерживается внутри наружной стенки 152. Приводная муфта 156 установлена с возможностью вращения внутри втулки 138 в подшипниках 140. Приводная муфта 156 содержит приводной элемент 158, так что она может вращаться посредством двигателя и редуктора, как будет более подробно описано ниже. Понятно, что приводная муфта 156 перемещается в осевом направлении внутри корпуса блока 150 передачи совместно с приводной втулкой 120 пружины, при этом муфта 156 может вращаться относительно указанной втулки.
Приводной вал 160 связан с приводной муфтой 156 и взаимодействует с роликовой винтовой парой 162. Роликовая винтовая пара 162 сцеплена с верхним концом штока 170 клапана известным образом, так что вращение приводного вала 160 преобразуется в осевое перемещение штока 170 клапана и роликовой винтовой пары 162.
Втулка 164 роликовой винтовой пары прикреплена к роликовой винтовой паре 162. Шпонки 165 взаимодействуют с верхней частью 132 приводной втулки пружины, тем самым предотвращая вращение втулки 164, но обеспечивая осевое движение втулки 164 и роликовой винтовой пары 162 относительно верхней черти 132 приводной втулки. На нижнем конце втулка 164 имеет заплечик 163, который упирается в заплечик 131, ограничивая тем самым перемещение вниз втулки 164.
Монтажная плита 50 содержит различные элементы передачи приводной мощности, предназначенные для передачи вращения от двигателей на приводную втулку пружины и приводную муфту. На каждой стороне плиты смонтированы коробчатые секции 38, 38'. Эти две коробчатые секции идентичны и подразумевается, что последующее описание правой секции 38 одинаково применимо к обоим секциям.
В коробчатой секции 38 установлено зубчатое колесо 40. Зубчатое колесо 40 входит в зацепление со вторым зубчатым колесом 52, которое в свою очередь сцепляется с третьим зубчатым колесом 54. С третьим зубчатым колесом 54 жестко соединен вращающийся вал 56, верхний конец которого жестко прикреплен к четвертому зубчатому колесу 58. Зубчатое колесо 58 взаимодействует с приводным элементом 158 муфты через передаточную шестерню 157.
С коробчатой секцией 38 соединен проходящий вверх цилиндрический корпус 48, который расходится раструбом на вершине 49 для упрощенного ввода блока 20 приводного двигателя. В корпусе 48 расположены направляющие штыри 47 для ориентирования блока 20 приводного двигателя в процессе его введения в цилиндрический корпус 48. Зубчатое колесо 40 снабжено отходящим вверх полым валом 42, который сцеплен с приводным валом 34 двигателя. Предусмотрены запорные средства 36 для запирания вала 42 на валу 34 с возможностью освобождения.
Блок 20 включает в себя двигатель 30, редуктор 32 и приводной вал 34. Двигатель заключен уплотненным образом в блок 20, имеющий наружную стенку 24 и верхнюю пластину 26. Корпус блока прикреплен к редуктору 32 при помощи болтов 23. Блок 20 предпочтительно заполнен гидравлическим или силиконовым маслом, а давление в нем скомпенсировано относительно внешнего давления, для предохранения двигателя от воздействия морской воды. Направляющая втулка 28, служащая также для защиты приводного вала, прикреплена к редуктору 32 и отходит вниз, окружая приводной вал 34.
В проиллюстрированном на чертежах варианте осуществления блок 20 приводного двигателя установлен рядом с корпусом блока 150. С точки зрения ограничения высоты привода в целом такое размещение является единственно практичным. В другом варианте блок приводного двигателя может быть установлен на продолжении вала 56 или даже поверх корпуса блока 150 передачи.
Коробчатая секция 38' содержит зубчатое колесо 40', которое входит в зацепление со вторым зубчатым колесом 252, сцепляющимся в свою очередь с зубцами вращающейся втулки 118.
Приводной двигатель 30' для пружины идентичен основному приводному двигателю 30, за тем исключением, что двигатель 30' содержит удерживающий тормоз, который более детально описан со ссылками на фиг.3 и 4.
Пока ток подается на двигатель 30', пружина 130 удерживается в сжатом состоянии. Приводная втулка 120 пружины будет перемещаться вниз, при этом нижняя часть 126 упирается в пружинодержатель 168, тем самым сжимая пружину 130. Перемещение по направлению вниз ограничено заплечиком 131, упирающимся в плиту 50.
Когда от двигателя 30' отключают питание, пружина перемещает приводную втулку 120 вверх и вращает двигатель в противоположном направлении. Поскольку в это время ток на двигатель не подается, он будет вращаться вхолостую, оказывая лишь небольшое фрикционное сопротивление.
На фиг.1 показана ситуация, когда пружина 130 сжата до своего нормального рабочего состояния посредством двигателя 30'. Роликовая винтовая пара 162 на фиг.1 показана в своем нижнем положении справа, а в своем верхнем положении слева. Фиг.2 иллюстрирует ситуацию, когда пружина 130 разжата, а роликовая винтовая пара 162 находится в своем нижнем положении относительно верхней части 132 приводной втулки пружины. Затворный элемент клапана при этом находится в крайнем верхнем положении (фиг.6). Теперь двигатель 30' приводится в действие для напряжения пружины 130. В результате этого приводная втулка 120 пружины и втулка 138 приводной муфты перемещаются вниз. Для того чтобы роликовая винтовая пара 162 оставалась в своем верхнем положении, когда остальные элементы движутся вниз (и чтобы шток клапана удерживался в верхнем положении), двигатель 30 приводят во вращение в обратном направлении. В результате имеет место ситуация, показанная слева на фиг.1. В этом положении основной двигатель 30 может быть задействован для вращения приводной муфты 156 и приводного вала 160, чтобы переместить роликовую винтовую пару 162, втулку 164 и шток 170 клапана вниз для закрытия клапана. Теперь клапан может работать свободно, то есть открывать и закрывать клапан, не действуя против пружины 130. Справа на фиг.1 (см. также фиг.5) шток клапана находится в своем нижнем положении, соответствующем закрытому положению затворного элемента.
В экстренной ситуации при потере мощности или если необходимо открыть клапан очень быстро, выключается удерживающий тормоз двигателя 30'. Теперь имеются две возможности:
1. Если клапан находится в закрытом положении, пружина 130 расширяется и принудительно передвигает приводную втулку пружины вверх. Эта втулка в свою очередь двигает целый узел, состоящий из приводной втулки 120 пружины и втулки 138 приводной муфты, вверх до тех пор, пока затворный элемент не упрется своим верхним заплечиком. Это соответствует достижению втулкой приводной муфты верхней точки своего хода, как показано справа на фиг.2 (см. также фиг.7).
2. Если клапан уже находится в своем верхнем (открытом) положении, пружина не будет немедленно расширяться, задерживаясь неподвижным штоком клапана (затворный элемент упирается в «крышу» или концевой упор клапана). Однако усилие пружины оказывает направленное вверх действие на втулку приводной муфты, и втулка 138 поэтому будет медленно перемещаться вверх, вызывая вращение приводного вала 160 в обратном направлении в роликовой винтовой паре 162 (так как шток клапана не перемещается). Силы трения в роликовой винтовой паре, система привода и двигатель 30 действуют в качестве демпфера. В результате система автоматически возвращается в свое исходное положение, исключая необходимость повторного запуска двигателя 30, пока не происходит самозапирание роликового ходового винта вследствие возросшего трения и т.д.
3. Если клапан находится в промежуточном положении, пружина будет принудительно перемещать затворный элемент вверх (вследствие движения целого узла, как описано выше в пункте 1), пока он не упрется в своем верхнем положении. Затем система медленно возвращается в исходное положение, как описано выше в пункте 2.
Таким образом, работа механизма пружинного возврата в момент приведения в действие не зависит от положения клапана. Система также гасит любые ударные нагрузки для избежания «ударов» затворного элемента.
Другое преимущество такой конструкции заключается в том, что клапаном можно управлять без необходимости напряжения пружины. Это обеспечивает быстрое управление клапаном, зачастую с использованием только той энергии, которая требуется для привода роликовой винтовой пары, и не подвергая отказоустойчивую пружину усталости вследствие многочисленных циклов. Конструкция также позволяет быстро открывать клапан в экстренных случаях, даже во время выполнения рабочего цикла.
На фиг.3 и 4 показан предпочтительный вариант тормозного устройства для двигателя, предназначенного для напряжения пружины. Двигатель 30' содержит проходящий через него приводной вал 302. Передний конец приводного вала оперативно связан с редуктором 303. Задний конец приводного вала 302 проходит позади двигателя и заканчивается запорным блоком 310.
Запорный блок 310 более детально показан на фиг.4a-4d, представляющих последовательность действий. Блок выполнен в виде муфты сцепления с левой стороной 312, присоединенной к приводному валу 302, и правой стороной 313, присоединенной к соленоиду 311.
До начала работы двигателя 30' муфта 310 расцеплена за счет прекращения подачи питания на соленоид 311. Правая сторона 313 отведена вправо, как показано на фиг.4а. Теперь двигатель 30' может быть включен, и при этом левая сторона 312 свободно вращается, как показано стрелкой. Это вызывает сжатие пружины 130, как описано ранее. Когда пружина полностью сжата, включается соленоид, перемещая правую сторону 313 в зацепление с левой стороной 312, как показано на фиг.4b. Это удерживает вал двигателя и предотвращает сброс напряжения с пружины. При потере мощности соленоид отключается и расцепляет муфту 310 путем перемещения правой половины 313 в правую сторону. Пружина 130 освобождается, и клапан тем самым переводится в свое отказоустойчивое положение.
Способ осуществления работы двигателя заключается в следующем. Сначала запускают двигатель 30 для вращения приводного вала и тем самым перемещения роликового ходового винта в его верхнее положение. Затем запускают двигатель 30' для сжатия пружины. Электропитание все еще подается на двигатель 30' для удержания пружины в сжатом состоянии. Затем приводят в действие соленоид 311 путем «броска» высокого тока. Двигатель 30' медленно замедляется до момента сцепления запорных зубьев, после чего крутящий момент двигателя может быть уменьшен до нуля, как показано на фиг.4с и 4d. После проверки запирания и остановки двигателя можно существенно понизить ток удержания. В альтернативном варианте низкое потребление мощности удержания может быть обеспечено за счет использования второй катушки (соленоида) с большим числом витков и низким током удержания, для сбережения мощности при длительном запирании.
Для обеспечения точной последовательности действий управляют крутящим моментом, положением и скоростью бесщеточного двигателя постоянного тока.
Поскольку электрический запорный механизм подсоединен к трансмиссии со стороны двигателя, силы, действующие на муфту, существенно снижаются, во-первых, на трансмиссии, а затем на редукторе. Усилие удержания, следовательно, и ток при длительном удержании будут низкими. Электрический запорный механизм предпочтительно предусматривает сцепление зубьев, и дополнительные механические преимущества могут быть достигнуты при использовании клинообразного или конического устройства под управлением соленоида, которое действует на вращающиеся части двигателя.
Следует понимать, что, в то время как настоящее изобретение описано применительно к предпочтительным вариантам его осуществления, специалист в данной области техники способен усовершенствовать разнообразные конструктивные и функциональные особенности без отклонения от принципов изобретения. Например, изобретение можно использовать для отказоустойчивого запорного клапана, который перекрывает проходящий через него поток.