УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С КОНЦЕВЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ
CONTROL DEVICE WITH LIMIT SWITCHES

Настоящее изобретение в целом относится к устройствам, предназначенным для управления положением клапанов и исполнительных механизмов с ручным или автоматическим приводом, например, таким как управляющие устройства, используемые на химических и нефтехимических заводах, в частности, к управляющему устройству с концевыми выключателями, приводимыми в действие с помощью кулачков.
Известны управляющие устройства с концевыми выключателями, называемые обычно "блоками концевых выключателей", используемые для управления положением клапанов и исполнительных механизмов. Такие устройства содержат электрический контур, на котором установлены один  или несколько концевых выключателей, а также узел привода, содержащий вал, подсоединяемый к клапану или исполнительному механизму с помощью соответствующего соединительного устройства. Узел привода дополнительно включает в себя один или несколько кулачков, закрепленных на валу и взаимодействующих с соответствующими концевыми выключателями, таким образом, чтобы обеспечивать включение или выключение работы клапана или исполнительного механизма.
Управление выключателями с нажимной кнопкой может осуществляться непосредственно кулачками, а управление концевыми выключателями, выполненными в виде бесконтактных выключателей, может осуществляться косвенным образом с помощью элемента из ферромагнитного материала или магнита, связанного с кулачками.
Узел привода и электрический контур, как правило, размещены в корпусе, который защищает их от атмосферных явлений, а при необходимости, может обладать огнестойкостью или взрывостойкостью. Как правило, корпус содержит несколько отверстий, служащих для прохождения электрических кабелей, и визуальный индикатор положения, соединенный с валом. Это дает возможность операторам быстро получать информацию о положении клапана или исполнительного механизма, соответствующую тому положению, которое было определено концевыми выключателями.
Узлы привода, используемые в управляющих устройствах с концевыми выключателями, являются стандартизированными компонентами, снабженными средствами регулирования углового положения кулачков, что позволяет устанавливать их согласно положению соответствующих выключателей и/или бесконтактных выключателей, установленных в электрической цепи конкретного устройства.
Известные управляющие устройства с концевыми выключателями содержат вал, на котором закреплены один или несколько кольцевых элементов, на периферийных стенках которых в продольном направлении выполнено множество чередующихся выступающих граней и проточек, совместно образующих ребристую поверхность. За счет обеспечения соответствия формы на этих поверхностях можно закрепить соответствующие кулачки. Для этого на поверхности монтажного отверстия каждого кулачка выполняют множество продольных выступающих граней и проточек, форма которых соответствует форме выступающих граней и проточек ребристой поверхности кольцевых элементов.
Кулачки могут перемещаться в осевом направлении относительно соответствующих кольцевых элементов между блокированным положением, в котором ребристые поверхности скреплены друг с другом, и разблокированным положением, в котором ребристые поверхности не скреплены, и каждый кулачок может свободно поворачиваться относительно вала, диаметр поперечного сечения которого меньше диаметра кольцевых элементов.
Таким образом, временное устранение соединения элементов за счет формы дает возможность изменения их положения относительно друг друга, что позволяет конфигурировать образуемый ими узел привода таким образом, чтобы его можно было использовать в конкретном управляющем устройстве, снабженном электрическим контуром с концевыми выключателями.
Для обеспечения возможности сохранения относительного положения кольцевых элементов и соответствующих кулачков в блокированном положении, кулачки фиксируются в этом положении с помощью винтовых пружин, соответствующим образом закрепленных на валу и фиксированным относительно него в осевом направлении. Перемещение каждого кулачка относительно вала в осевом направлении ограничивается опорными поверхностями, сформированными на одном торце монтажного отверстия напротив торца, обращенного к соответствующему кольцевому элементу.
В публикации US 5298700 A раскрывается модуль для блоков концевых выключателей. Данный модуль содержит вал, который может быть соединен с возможностью вращения с клапаном или исполнительным механизмом, и один или несколько кулачков, закрепленных на валу и служащих для привода концевых выключателей. Вал содержит зажимную поверхность, а каждый кулачок включает в себя радиальное зажимное устройство, зажимные элементы которого размещены в соответствующем сквозном отверстии, позволяющем надевать и собирать кулачок на валу.
Узлы привода управляющих устройств с концевыми выключателями могут быть усовершенствованы как в плане конструкции отдельных компонентов, так и с точки зрения снижения производственных затрат, что и является задачей настоящего изобретения.
Указанная задача решена с помощью управляющего устройства, основные отличительные признаки которого указаны в первом пункте формулы изобретения, в то время как остальные отличительные признаки указываются в остальных пунктах.
Основная идея технического решения, лежащего в основе настоящего изобретения, заключается в интеграции в конструкцию кулачков узла привода радиального зажимного устройства, выполненного в соответствии с параметрами соответствующего монтажного отверстия и служащего для соединения с выполненной на валу зажимной поверхностью. Идея настоящего изобретения заключается также в том, чтобы сконфигурировать каждый кулачок таким образом, чтобы он включал в себя корпус, содержащий несколько зажимных элементов, размещенных в корпусе вместе со средством перемещения и образующих вместе с данным средством радиальное зажимное устройство. Приводимые в действие средством перемещения зажимные элементы могут перемещаться в направлении к оси и от оси выполненного в корпусе сквозного отверстия узла.
Такая конфигурация позволяет полностью решить проблему, связанную с производственными допусками зажимных элементов, расположенных между кулачками и валом, поскольку для фиксации и освобождения кулачков используется их перемещение в радиальном направлении в сторону оси и от оси отверстия.
Кроме того, поскольку блокирования и разблокирование кулачков осуществляется с помощью механизмов, расположенных внутри кулачков, их можно размещать на валу в осевом направлении рядом друг с другом, что позволяет приспособить узел привода, образуемый валом с кулачками, к любой возможной конфигурации выключателей, установленных на электрической схеме управляющего устройства, компонентом которого является данный узел привода.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что систему блокировки и разблокирования кулачка невозможно повредить или испортить, поскольку она находится полностью внутри кулачка.
Кроме того, в отличие от известных управляющих устройств, в системе блокирования и разблокирования кулачка не используются пружины, в результате чего устраняются операции по их сборке и возможные проблемы с пределом текучести пружин.
Остальные преимущества и отличительные признаки предлагаемого настоящим изобретением управляющего устройства с концевыми выключателями станут более ясными специалистам в данной области после ознакомления с приведенным ниже подробным и неограничивающим описанием вариантов реализации данного устройства со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показано перспективное изображение управляющего устройства с концевыми выключателями согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 – перспективное изображение узла привода управляющего устройства, показанного на фиг. 1, с одним закрепленным на нем кулачком;
на фиг. 3 – перспективное изображение кулачка с пространственным разделением элементов;
на фиг. 4 – вид спереди узла привода;
на фиг. 5 – вид узла привода в разрезе по плоскости V-V из фиг. 4, показывающий кулачок в разблокированном положении относительно вала;
на фиг. 6 – вид узла привода в разрезе, аналогичный представленному на фиг. 5, демонстрирующий кулачок в блокированном положении относительно вала;
на фиг. 7 – перспективное изображение в разобранном виде первого альтернативного варианта реализации кулачка узла привода устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 8 вид в продольном разрезе показанного на фиг. 7 средства перемещения кулачка;
на фиг. 9 – перспективное изображение в разобранном виде второго альтернативного варианта реализации кулачка узла привода устройства согласно настоящему изобретению;
на фиг. 10 и 11 – изображения (вид сверху), показывающие представленный на фиг. 9 кулачок без верхней части корпуса в разблокированном и заблокированном положениях, соответственно.
Как показано на фиг. 1 и 2, управляющее устройство с концевыми выключателями согласно настоящему изобретению в целом обозначено ссылочной позицией 100.
Устройство 100 включает в себя корпус 200, в котором размещена электрическая цепь 300 с одним или несколькими концевыми выключателями, например с двумя концевыми выключателями 301, 302. Узел 400 привода, служащий для управления работой клапана или исполнительного механизма с помощью концевых выключателей электрической схемы 300, также размещен в корпусе 200.
Узел 400 привода включает в себя вал 410, который может быть соединен с возможностью вращения с клапаном или исполнительным механизмом (не показаны), и один или несколько кулачков, закрепленных на валу 410 и служащих для привода концевых выключателей электрической схемы 300. Данные кулачки повернуты относительно друг друга таким образом, чтобы определять один или несколько угловых рабочих диапазонов клапана или исполнительного механизма, с которым соединен вал 410. В рассматриваемом варианте реализации в качестве примера показаны два кулачка 420, 430.
На фиг. 1 показана только нижняя часть корпуса 200, которая содержит два сквозных отверстия 201, 202, служащих для проводки электрических кабелей (не показаны), присоединяемых к зажиму 303 электрической схемы 300. Вал 410 установлен в корпусе 200 с возможностью вращения и проходит от нижней части корпуса под прямым углом к электрической схеме 300, пересекая её в центральном отверстии, рядом с которым расположены концевые выключатели 301, 302.
Корпус 200 содержит также верхнюю часть известной конструкции (не показана), которая закрывает электрическую схему 300 и узел 400 привода с нижней частью корпуса.
Как видно из фиг. 2 и 3, как уже было указано выше, узел 400 привода содержит вал 410 и один или несколько кулачков, закрепленных на валу и служащих для управления бесконтактными выключателями и/или концевыми выключателями. Для упрощения на фиг. 2 показан только один кулачок, например кулачок 420, но следует иметь в виду, что кулачок 430, а также любой другой кулачок, устанавливаемый на валу 410 узла 400 привода, идентичны кулачку 420 в контексте настоящего изобретения.
Согласно настоящему изобретению, вал 410 содержит зажимную поверхность 411, а кулачок 420 содержит радиальное зажимное устройство, зажимные элементы которого, размещенные в сквозном отверстии 421 узла, позволяют закреплять кулачок на валу 410.
Как показано на фиг. 3, кулачок 420 содержит корпус 422. Указанный корпус, например, может состоять из нижней части 422a и верхней части 422b, между которыми установлены несколько зажимных элементов 423, которые могут перемещаться в радиальном направлении относительно оси A сквозного отверстия 421 узла, что обеспечивает возможность блокирования кулачка 420 на зажимной поверхности 411 вала 410.
В рассматриваемом варианте реализации зажимные элементы 423, например, могут перемещаться в радиальном направлении относительно корпуса 422, для чего в обеих частях 422a, 422b корпуса выполнены радиальные пазы, в которые входят пальцы соответствующей формы зажимных элементов 423. Следует принимать во внимание, что зажимные элементы могут точно так же содержать пазы и перемещаться по радиальным направляющим соответствующей формы.
Как вариант, зажимные элементы 423 могут перемещаться по спиралевидным пазам, поворачиваясь на определенном участке части корпуса, или быть соединенными с корпусом соответствующими кинематическими механизмами.
Для обеспечения возможности радиального перемещения зажимных элементов 423 к оси A сквозного отверстия 421 узла и в сторону от данной оси, конструкция кулачка 420 включает в себя кольцевой элемент 424, содержащий несколько выступов 425 на внутренней поверхности. Количество выступов 425 равно количеству зажимных элементов 423. Кроме того, на внешней поверхности кольцевого элемента 424 предусмотрено регулировочное средство 426, позволяющее оператору поворачивать кольцевой элемент 424 относительно корпуса 422 (в разблокированном положении) и фиксировать кольцевой элемент 424 относительно корпуса 422 (в блокированном положении), как будет подробнее объяснено ниже.
Когда кулачок 420 находится в собранном состоянии, кольцевой элемент 424 и зажимные элементы 423 заключены между нижней частью 422a и верхней частью 422b корпуса, и кольцевой элемент 424 окружает зажимные элементы 423, которые обращены непосредственно к сквозному отверстию 421 узла.
Оператор может воздействовать на регулировочное средство 426, которое выступает из проходящего в направлении по окружности периферийного отверстия 427 в корпусе 422. Предпочтительно, регулировочное средство может быть выполнено в виде ползунка, выступающего из периферийного отверстия 427, который оператор может просто прижать и переместить пальцем руки.
Как видно из фиг. 4 - 6, конфигурация зажимных элементов 423, кольцевого элемента 424 и его выступов 425 такова, что при поворачивании кольцевого элемента 424 в первом направлении, например против часовой стрелки (по стрелке "U" на фиг. 5), каждый из зажимных элементов 423 располагается между двумя соседними выступами 425 и не выступает внутрь отверстия 421. В таком положении кулачок 420 может свободно поворачиваться относительно вала 410, и, следовательно, его можно установить в любом угловом положении относительно вала. Это дает возможность отрегулировать положение кулачка таким образом, чтобы он мог приводить в действие концевой выключатель, установленный в электрической схеме 300.
При поворачивании кольцевого элемента кольцевой элемент 424 во втором направлении, противоположном первому направлению, например по часовой стрелке, как показано стрелкой "L" на фиг. 6, выступы 425 прижимаются к зажимным элементам 423, заставляя их перемещаться ближе к оси A отверстия 421 по траектории, определяемой их соответствующими кинематическими ограничениями. Зажимные элементы 423 выступают внутрь отверстия 421 и входят в контакт с зажимной поверхностью 411 вала 410. При этом кулачок 420 фиксируется на валу, обеспечивая сохранение положения привода в действие концевого выключателя электрической схемы 300.
Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, выполненная на валу зажимная поверхность 411 и поверхности зажимных элементов 423, обращенные внутрь сквозного отверстия 421 узла кулачка 420, являются ребристыми, ребра которых проходят параллельно оси A кулачка, т.е. оси вала 410; иными словами, данные поверхности содержат множество чередующихся выступающих граней и проточек, которые позволяют получить соединение кулачка с валом за счет соответствия формы. Регулирование углового положения кулачка при этом является высокоточным и позволяет избежать случайного поворачивания кулачка относительно вала благодаря соединению за счет формы между выступающими гранями и проточками вышеуказанных поверхностей.
Дополнительно или в качестве варианта, можно создать такую зажимную поверхность 411 на валу 410 и такие поверхности зажимных элементов 423, обращенные внутрь сквозного отверстия 421 узла кулачка 420, чтобы обеспечивалась посадка с натягом. Для этого размеры кольцевого элемента 424 с соответствующими выступами 425 и зажимными элементами 423 выбирают такими, чтобы их перемещение в сторону оси A сквозного отверстия 421 кулачка 420 было больше радиального зазора между сквозным отверстием и валом 410, в результате чего в заблокированном состоянии между валом и кулачком образуется небольшой натяг, обеспечивающий радиально направленную сжимающую силу.
При использовании ребристых поверхностей такая конфигурация, предпочтительно, позволяет избежать любых проблем, связанных с производственными допусками на различные компоненты узла 400 привода.
В более общем смысле, такая конфигурация может использоваться для получения соединения кулачков с валом с помощью силы трения взамен соединения за счет формы, что обеспечивает возможность снижения стоимости узла 400 привода. Для повышения коэффициента трения между поверхностями можно использовать насечку и/или материалы с более высоким коэффициентом трения, такие как резина, полиуретан или пластики.
Снова обращаясь к фиг. 3, видно, что в предпочтительном варианте реализации изобретения перемещение зажимных элементов 423 относительно друг друга в направлении по окружности ограничивается соединительными элементами 423a, и, таким образом, зажимные элементы 423 совместно образуют подковообразный элемент, который легче вставить в корпус 422 кулачка 420, чем одинарные зажимные элементы 423.
Предпочтительно, соединительные элементы 423a являются упругими, например, имеют дугообразную форму, как в рассматриваемом варианте реализации, и отталкивают отдельные зажимные элементы 423 в стороны друг от друга в направлении по окружности таким образом, что при повороте кольцевого элемента 424 из блокированного в разблокированное положение они быстро перемещаются, со щелчком занимая пространство между соседними выступами 425, освобождая зажимную поверхность 411 вала 410.
Снова обращаясь к фиг. 3, также видно, что корпус 422 кулачка 420 может содержать гнездо 428 с установленным в нем элементом, выполненным из ферромагнитного материала, который может взаимодействовать с концевым выключателем электрической схемы 300, образуя бесконтактный выключатель. Такая конфигурация является выгодной, поскольку кулачки не только включают в себя радиальное зажимное устройство, которое позволяет закреплять их на валу, но также пригодны как для прямого механического взаимодействия с концевыми выключателями, имеющими нажимную кнопку, так и для непрямого взаимодействия с бесконтактными выключателями.
На фиг. 7 и 8 представлен первый альтернативный вариант реализации кулачка узла привода согласно настоящему изобретению.
В отличие от варианта реализации, раскрытого выше, средство перемещения зажимных элементов 423 в данном случае содержит кольцевой элемент 424', перемещение которого в осевом направлении внутри корпуса 422 является ограниченным. Кольцевой элемент 424' окружает зажимные элементы 423, и, как показано на продольном разрезе на фиг. 8, имеет конусообразную внутреннюю кольцевую поверхность 425'.
Кольцевой элемент 424' может выборочно перемещаться между разблокированным и блокированным положениями кулачка 420 на валу 410. В разблокированном положении кулачка 420 кольцевой элемент 424' располагается на некотором расстоянии в осевом направлении от зажимных элементов 423, которые, таким образом, находятся на расстоянии от конусообразной внутренней кольцевой поверхности 425' и не выступает с периферии внутрь сквозного отверстия 421 узла кулачка 420. В блокированном положении кольцевой элемент 424', наоборот, перемещен в осевом направлении, таким образом, что конусообразная внутренняя кольцевая поверхность 425' давит на зажимные элементы 423, заставляя их переместиться в радиальном направлении и выступить за периферию сквозного отверстия 421 кулачка 420 в сторону оси A, в результате чего кулачок зажимает вал 410.
На внешней поверхности кольцевого элемента 424' предусмотрено регулировочное средство 426', позволяющее перемещать кольцевой элемент между блокированным и разблокированным положениями. Регулировочное средство 426' может выступать с внешней стороны корпуса 422 кулачка 420 сквозь выполненное в нем отверстие 427', проходящее в направлении по окружности и в направлении по оси корпуса 422. Следует принимать во внимание, что для обеспечения возможности перемещения кольцевого элемента 424' в осевом направлении для разблокирования кулачка, отверстие  427' содержит паз 427'a в осевом направлении.
На фиг. 9 и 11 представлен второй альтернативный вариант реализации кулачка узла привода согласно настоящему изобретению.
В данном случае, средство перемещения представляет собой кольцевой элемент 422", перемещение которого внутри корпуса 422  относительно зажимных элементов 423 является ограниченным. Кольцевой элемент 424" содержит кольцевой зазор 425", в результате чего он разомкнут и обладает определенной упругостью. В разблокированном положении обращенные друг к другу края кольцевого зазора 425" расположены на расстоянии друг от друга, и зажимные элементы 423 не выступают за периферию сквозного отверстия 421 узла кулачка 420. В блокированном положении края кольцевого зазора 425" приближены друг к другу, находясь практически в контакте друг с другом, в результате чего кольцевой элемент 424" давит на зажимные элементы 423, заставляя их переместиться и выступить за периферию сквозного отверстия 421 кулачка 420 в сторону оси A.
Для обеспечения возможности управления кольцевым элементом 424" на краях кольцевого зазора 425" выполнены соответствующие пальцы 425"a, 425"b, а средство перемещения представляет собой регулировочное средство 426", выполненное в виде рычага, шарнирно установленного на корпусе 422. Рычажное средство 426" содержит отверстие 426"a эллиптической формы, служащее для обеспечения взаимодействия с пальцами 425"a, 425"b.
Как видно из фиг. 10 и 11, общий принцип является таким, что в разблокированном положении рычажное средство 426" повернуто наружу в сторону от корпуса 422, и регулировочные пальцы 425"a, 425"b находятся на расстоянии друг от друга в противоположных углах указанного эллиптического отверстия 426"a в направлении по его большой оси, в результате чего зажимные элементы 423 не выступают за периферию сквозного отверстия 421 узла кулачка 420. И, наоборот, в блокированном положении рычажное средство 426" повернуто внутрь к корпусу 422, и регулировочные пальцы 425"a, 425"b практически контактируют друг с другом, находясь в противоположных углах эллиптического отверстия 426"a в направлении по его малой оси, в результате чего кольцевой элемент 424" давит на зажимные элементы 423, заставляя их переместиться за периферию сквозного отверстия 421 кулачка 420 к оси A, в результате чего кулачок зажимает вал 410.
В данном описании настоящее изобретение было раскрыто на примере предпочтительного варианта его реализации. Следует иметь в виду, что могут быть и другие варианты реализации изобретения, в которых используется та же самая идея изобретения, определяемая объемом охраны согласно пунктам приведенной ниже формулы изобретения.