ПРИВОД УПРАВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРОЙ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к арматуростроению и может быть использована в качестве привода управления трубопроводной арматурой (далее ТПА).
Известен привод затвора ТПА содержащий соединенный с корпусом арматуры бугель, в нижней части которого размещено сальниковое уплотнение шпинделя арматуры, поджатое через втулку крышкой сальника, а в осевом отверстии верхней части ходовая гайка, установленная на подшипники и взаимодействующая со шпинделем через резьбовое соединение. Ходовая гайка управляется с помощью маховика или электропривода. При этом на ходовой втулке установлен указатель положения запорного органа с маркировкой "О" - открыто и "З" - закрыто (см. патент №2073158, C1, F16K 31/50, 1993 г.), прототип.
К недостаткам данной конструкции привода относятся низкий КПД резьбового соединения ходовая гайка-шпиндель, что приводит к необходимости прикладывать большой крутящий момент при управлении ТПА и односкоростной режим работы, а следовательно длительный по времени цикл "открыто-закрыто", так как привод рассчитан на максимальный крутящий момент необходимый для страгивания (срыва) запорного органа и преодоление сил трения покоя между запорным органом и уплотнительными полями затвора, а так же в резьбовом соединении ходовая гайка - шпиндель и сальниковом уплотнении, что значительно увеличивает время дальнейшего управления ТПА, когда требуется значительно меньший крутящий момент, необходимый только для преодоления сил трения в резьбовом соединении ходовая гайка-шпиндель, сальниковом уплотнении и сопротивления проводимой среды.
Известен также механизм винтового домкрата с дифференциальной резьбой, содержащий корпус в котором расположена гайка, на внутренней и наружной поверхности гайки выполнена резьба одного направления, но с разным шагом. Перемещение винта за один оборот гайки равно разности шагов резьбы (см. патент №407831, B66f 3/08, 1973 г.).
Недостатком данного дифференциального механизма является низкий суммарный КПД резьбовых соединений, что делает невозможным эффективное применение его в приводе управления трубопроводной арматурой.
Техническая задача решаемая в предлагаемом устройстве - повышение потребительских свойств ручного привода ТПА, заключающееся в уменьшении времени цикла "открыто-закрыто" и усилия оператора необходимого для срыва запорного органа.
Поставленная техническая задача решается тем, что привод ТПА, содержащий установленную на подшипниках в верхней части корпуса бугеля (стойки) с указателем положения запорного органа, ходовую втулку, управляющую ходовой гайкой, взаимодействующей со шпинделем, при этом на внутренней и внешней поверхности ходовой втулки, а так же внешней поверхности ходовой гайки и внутренней поверхности опорной гайки, охватывающей ходовую втулку, выполнены винтовые канавки одинакового направления, образующие винтовые каналы в которых размещены шарики, а ходовая гайка фиксируется в верхнем положении относительно ходовой втулки крутящим моментом превышающим крутящий момент холостого хода.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен совмещенный разрез привода ТПА с дифференциальным механизмом на основе шариковинтовых передач (далее ШВП) в открытом положении (левая сторона разреза) и в закрытом положении (правая сторона разреза).
Привод ТПА содержит ходовую втулку 1 на внутренней поверхности цилиндрической части которой выполнена винтовая канавка 2, взаимодействующая с помощью шариков 3 с ответной и одинаково направленной винтовой канавкой 4, выполненной на наружной поверхности ходовой гайки 5, взаимодействующей через резьбовое соединение 6 со шпинделем 7. Шарики 3 размещаются в одинаково направленных винтовых канавках 2 и 4, образующих внутреннюю винтовую линию по периметру цилиндрической поверхности примыкания ходовой втулки 1 и ходовой гайки 5.
В верхней части ходовой втулки 1 расположены регулируемые шариковые фиксаторы 8, а в верхней части ходовой гайки 5 соответствующая проточка 9 для удерживания в верхнем положении с заданным крутящим моментом ходовой гайки 5 относительно ходовой втулки 1. На верхней части ходовой втулки 1 выполненной в виде входного элемента, для ручного привода это обычно шестигранник, устанавливается маховик 10.
На наружной поверхности цилиндрической части ходовой втулки 1 так же выполнена винтовая канавка 11, которая взаимодействует с помощью шариков 12 с ответной и одинаково направленной винтовой канавкой 13, выполненной на внутренней поверхности опорной гайки 14, установленной в корпусе бугеля 15 на подшипниках 16 и зафиксированной в осевом направлении гайкой 17. Шарики 12 размещаются в одинаково направленных винтовых канавках 11 и 13, образующих внешнюю винтовую линию по периметру цилиндрической поверхности примыкания ходовой втулки 1 и опорной гайки 14.
Количество шариков 3 и 12 (соответственно витков, заполненных шариками), определяется расчетом и зависит от максимального крутящего момента, передаваемого ШВП. Ходовая втулка 1 и опорная гайка 14 выполнены удлиненными для размещения дополнительных свободных витков, необходимых для перемещения шариков при работе ШВП.
В нижней части корпуса бугеля 15 расположено устройство блокировки опорной гайки 14, состоящее из управляющей пружины 18, блокирующей втулки 19, выключающей пружины 20 и направляющих 21, закрепленных в днище корпуса бугеля 15. В нижней части опорной гайки 14, по ее внутреннему периметру нижнего торца, нарезан зубчатый венец 22, входящий в зацепление с ответным зубчатым венцом 23, нарезанным по внешнему периметру блокирующей втулки 19.
На верхней части ходовой втулки 1 (не показано) устанавливается кожух с указателем положения запорного органа трубопроводной арматуры и маркировкой "О" открыто и "3" закрыто, относительно которых по верхнему торцу шпинделя 7 считываются положения запорного органа.
Привод работает следующим образом:
При открытии ТПА, для страгивания (срыва) запорного органа, крутящий момент от оператора передается ходовой втулке 1. При вращении ходовой втулки 1, шарики 3 и 12 входящие с ней в зацепление начнут обкатываться по винтовым линиям, имеющим одинаковое направление, но разный шаги соответственно будут перемещаться в осевом направлении в противоположные стороны. Шаг внутренней винтовой линии, должен быть больше шага внешней винтовой линии, для сохранения направления движения шпинделя 7 при изменении режимов работы привода. За один оборот ходовой втулки 1, шпиндель 7 сместиться вверх на разницу шагов внутренней и внешней винтовых линий, деленной пополам.
При этом блокирующее устройство находится в замкнутом положении, т.е. блокирующая втулка 19, под действием управляющей пружины 18 находится в крайнем нижнем положении и опирается на дно корпуса бугеля 15, а зубчатый венец 23, блокирующей втулки 19, находится в зацеплении с зубчатым венцом 22 опорной гайки 14, блокируя ее от вращения.
Ходовая гайка 5, находясь в зацеплении с резьбой шпинделя 7, охватывая и оставаясь неподвижной относительно его, при обкатывании шариков 3 перемещается только в осевом направлении вместе со шпинделем 7 вверх, перемещая при этом запорный орган ТПА. Крутящий момент, приложенный к органу управления ТПА и передаваемый первой силовой дифференциальной ступенью, должен обеспечить страгивание запорного органа. Необходимый крутящий момент и соответствующее осевое перемещение запорного органа обеспечивается заданной конструктивно разностью шагов внешней и внутренней винтовых линий ШВП деленной пополам.
После страгивания запорного органа и уменьшения усилия на шпинделе 7, шарики 3, сделав заданное конструктивно количество оборотов, смещают ходовую гайку 5 по оси вверх до момента размыкания управляющей пружины 18 с нижним торцом не вращающейся в это время ходовой гайки 5, при этом блокирующая втулка 19, под действием выключающей пружины 20 выходит из зацепления с опорной гайкой 14. После полной разблокировки опорной гайки 14 первая дифференциальная ступень привода выключается.
При дальнейшем вращении ходовой втулки 1 опорная гайка 14 вращается с ней как одно целое, опираясь на подшипники 16, а ходовая гайка 5 за счет обкатывания по ней и смещения шариков 3 продолжает смещаться по оси вверх вместе со шпинделем 7 до соприкосновения ее с верхним торцом ходовой втулки 1 и блокируются от дальнейшего вращения. При этом шариковые фиксаторы 13, расположенные в верней части ходовой втулки 1, входят в зацепление с соответствующей проточкой 14, выполненной в верхней части ходовой гайки 5, фиксируя таким образом ходовую втулку 1 относительно ходовой гайки 5 заданным крутящим моментом. При таком режиме работы привода реализуется вторая силовая ступень, когда работает только внутренняя ШВП.
После этого крутящий момент от внешнего привода будет передаваться на ходовую втулку 1, шарики 3 и ходовую гайку 5, которые, находясь в заблокированном положении, вращаются вокруг шпинделя 7 как одно целое, при этом крутящий момент передается непосредственно на резьбовое соединение 6 ходовой гайки 5 со шпинделем 7. В этом режиме работы привода увеличивается скорость осевого перемещения шпинделя 7 и соответственно запорного органа, т.к. шаг резьбового соединения ходовой гайки 5 со шпинделем 7 задается конструктивно значительно больше, чем шаг внутренней ШВП. Таким образом привод работает последовательно в трехскоростном режиме. Затвор открыт.
При закрытии ТПА привод работает в обратном порядке. Внешний крутящий момент вначале передается через ходовую втулку 1, шарики 3 и ходовую гайку 5, которые, находясь в заблокированном положении, вращаются вокруг шпинделя 7 как одно целое, на резьбовое зацепление 6 и напрямую перемещает запорный орган с увеличенной скоростью до соприкосновения уплотнительных полей запорного органа с ответными полями седел и, соответственно, увеличения сопротивления перемещению шпинделя вниз. При дальнейшем увеличении крутящего момента на маховике 10 в момент, когда он превысит крутящий момент холостого хода и соответственно усилие сжатия пружин шариковых фиксаторов 13, ходовая гайка 5 разблокируется с ходовой втулкой 1 и перестанет вращаться вокруг шпинделя 7. При этом крутящий момент начнет передаваться только ходовой втулке 1. При вращении ходовой втулки 1, шарики 3, входящие с ней в зацепление, начнут обкатываться по внутреннему винтовому каналу и за счет смещения винтовой линии будут перемещаться в осевом направлении вниз. При этом ходовая гайка 5, находясь в зацеплении с резьбой шпинделя 7 и оставаясь неподвижной относительно его, перемещается в осевом направлении вниз вместе со шпинделем 7 и, соответственно, продолжает перемещать вниз запорный орган ТПА. При движении вниз ходовая гайка 5 соприкасается с управляющей пружиной 18 и, преодолевая сопротивление выключающей пружины 20, замыкает зубчатый венец 23 блокирующей втулки 19 с ответным зубчатым венцом 22 опорной гайки 14, блокируя ее от дальнейшего вращения.
После того как блокирующее устройство включится, а опорная гайка 14 замкнется на корпус бугеля 15 и перестанет вращаться, начнет работать дифференциальная ступень привода. При этом крутящий момент от оператора передается ходовой втулке 1, а шарики 3 и 12, входящие с ней в зацепление, начнут обкатываться по винтовым линиям, имеющим одинаковое направление, но разный шаги, соответственно, будут перемещаться в осевом направлении в противоположные стороны. Т.к. шаг внутренней винтовой линии задается больше шага внешней винтовой линии, сохранится прежнее направление движения шпинделя до полного закрытия ТПА. Затвор закрыт.
Таким образом, предложенный малогабаритный трехскоростной винтовой привод, встроенный в корпус бугеля (стойки), позволяет не только уменьшить время цикла "открыто-закрыто", но и максимальный крутящий момент при открытии и закрытии запорного органа ТПА, это достигается за счет применения механизма дифференциальной резьбы на основе ШВП, имеющей значительно больший КПД по сравнению с применяемой в существующих конструкциях ТПА резьбовой парой, что позволяет повысить суммарный КПД дифференциального механизма до 75-80% и получить значительно больший крутящий момент в силовой ступени привода.
Использование ШВП без обводного канала и замкнутой цепочки шариков обусловлено коротким рабочим ходом, т.к. ШВП работают только при "срыве" или "дожиме" запорного органа в седлах ТПА. При дальнейшем вращении заблокированных ШВП, работает только третья скоростная ступень, когда крутящий момент передается непосредственно через резьбовое соединение 6 ходовой гайки 5 на шпиндель 7, которое выполняется с увеличенным шагом, что позволит соответственно увеличить скорость перемещения запорного органа на холостом ходу. Так как крутящий момент холостого хода значительно меньше (в 5-10 раз) максимального момента, низкое КПД резьбового соединения ходовой гайки 5 и шпинделя 6, применяемого в существующих конструкциях ТПА повсеместно, практически не влияет на время управление ТПА.
Применение трех режимов работы привода позволяет дополнительно уменьшить осевой размер привода и оптимизировать переход от холостого хода к дифференциальной силовой ступени. Переключение режимов работы привода при открытии и закрытии ТПА происходит автоматически за счет шариковых фиксаторов и работы блокирующего устройства и не требует дополнительных переключателей или действий оператора. Такой режим работы привода позволяет оператору при вращении маховика, без дополнительных действий, автоматически и последовательно получать три скорости перемещения шпинделя, как при открытии, так и при закрытии ТПА, в соответствии с действующими силами сопротивления запорному органу.