ПРИВОД ЧЕТВЕРТЬОБОРОТНОЙ АРМАТУРЫ
QUARTER-TURN VALVES DRIVE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к приводным устройствам для передачи крутящего момента исполнительным механизмам или их элементам, в частности для закрывания и открывания затворов (поворотных элементов) четвертьоборотной арматуры, например, шаровых кранов, поворотных заслонок, клапанов и т.п.
Известны различные конструкции приводов для четвертьоборотной трубопроводной арматуры, направленные на обеспечение повышенного момента привода при открытии и закрытии шаровых кранов, заслонок и т.п. (далее - арматуры) для преодоления момента, обусловленного рабочим давлением среды, воздействующим на затвор арматуры, дополнительного момента, возникающего при нахождении арматуры в закрытом положении в течение длительного времени, а также на преодоление повышенного момента, возникающего за счет адгезии затвора к уплотнению. Таким образом, чтобы обеспечить закрывание и открывание четвертьоборотной арматуры, необходимо, чтобы крутящий момент значительно изменялся по величине при воздействии на поворотный элемент арматуры.
Известны конструкции привода затворов запорной или запорно-регулирующей арматуры, в которых вращательное движение от электродвигателя или маховика ручного привода преобразуется в поступательное движение затвора, и которые имеют переменное передаточное отношение за счет применения для перемещения затвора шарнирно-рычажных механизмов. Например, изобретение «Привод затвора» (Авторское свидетельство СССР №369332, F16K 31/44, опубликовано 08.11.1973). Или изобретение «Actuator apparatus for operating and locking control valve and method for its use» (Патент США 7708254, F16K 31/44, опубл. 04.05.2010).
Недостатком таких устройств является сложность конструкции, обусловленная большим числом шарнирных соединений, а также большие размеры устройств.
Известны также приводы, в которых используется преобразование управляющего осевого (поступательного) усилия во вращательное перемещение затвора запорной арматуры.
В изобретении «Rotary valve actuator with high-low-high torque linkage» (Патент США 5975487, F16K 31/145, опубл. 02.11.1999) преобразование поступательного движения от приводного механизма во вращательное движение затвора запорной арматуры обеспечивает шарнирно-рычажный механизм. Недостатком приводов, обеспечивающих преобразование управляющего осевого (поступательного) усилия во вращательное перемещение выходного звена является двойное преобразование вида движения - вращательное движение в поступательное и обратно.
Известны приводы, которые преобразуют момент, создаваемый рычагом управления, включая момент, создаваемый электродвигателем, во вращательное перемещение штока (вала) арматуры посредством планетарных передач, увеличивающих передаточное отношение механизма для преодоления возникающих в арматуре сил.
Известно изобретение, в котором привод запорного органа трубопроводной арматуры содержит размещенную в корпусе силовую трансмиссию на базе плюсового планетарного редуктора. Силовая трансмиссия включает установленный на подшипниках в корпусе эксцентриковый входной вал-водило, которой соединен с выходным валом управляемого электропривода (электродвигателя). В корпусе закреплены входное центральное неподвижное зубчатое колесо с внутренними зубьями, выходное центральное подвижное зубчатое колесо с внутренними зубьями, соединенное с выходным неполноповоротным валом, и установленный на сферическом подшипнике на валу-водиле двухвенцовый блок сателлита. (Патент РФ №2196928, F16K 31/04, F16K 31/53, опубл. 20.01.2003).
Указанное изобретение обеспечивает пропорциональность габаритов привода и получение коэффициента передачи в широком диапазоне, но основным недостатком приводов с передаточным механизмом на базе зубчатых передач является постоянство передаточного отношения, что приводит к необходимости использования двигателя с повышенным развиваемым моментом для обеспечения начала движения привода в моменты открытия и закрытия затвора запорной арматуры и, соответственно, к увеличению веса и габаритов устройства, повышению его стоимости.
Конструкции передаточных механизмов рассмотренных приводов не обеспечивают возможность создания (развитие) выходного крутящего момента, значительно изменяющегося по величине на рабочем ходе затвора (поворотного элемента) и достигающего максимальных значений в крайних положениях поворотного элемента арматуры.
Известны приводы, имеющие увеличенный момент страгивания (момент необходимый для обеспечения начала движения запорного элемента), в которых большую часть пути запорный (поворотный) элемент проходит с высокой скоростью при малом крутящем моменте и лишь при уплотнении затвора или в начальной фазе открытия привод переключается на низкую скорость, развивая при этом большой крутящий момент.
Например, в изобретении «Valve actuator system for initial torque reduction» (Патент США №5507469, F16K 31/53, опубл. 16.04.1996) предлагается механический привод поворотного клапана, состоящий из кривошипа, жестко связанного с валом (штоком) затвора, цилиндрической шестерни, свободно вращающейся на валу, и жестко связанного с рычагом управления зубчатого сектора, сидящего на оси кривошипа. В начале открытия клапана момент, создаваемый рычагом управления, усиливается благодаря тому, что зубчатый сектор обкатывается по шестерне. Когда сектор доходит до упора, зубчатая пара шестерня-сектор начинают работать как общее звено и передают момент на вал затвора от рычага без усилия.
Недостатками указанной конструкции является ступенчатое изменение передаточной функции, что может создавать ударные нагрузки в передаточном механизме при работе, например, от электродвигателя, и то, что предлагаемый механизм создает увеличенный момент на запорном элементе только в одном из крайних положений запорного органа.
В изобретении «Двухскоростное приводное устройство» (Авторское свидетельство СССР 323989, F16H 1/28, опубл. 23.09.1981), которое предназначено для передачи крутящего момента исполняющим механизмам или их элементам, в частности, для закрывания и открывания трубопроводной арматуры, в особенности арматуры больших условных проходов. В известном приводном устройстве используется передаточный механизм, размещенный в корпусе и приводимый в действие, например, двумя электродвигателями, установленными на корпусе, один из электродвигателей предназначен для создания крутящего момента, а второй электродвигатель вспомогательный. Передаточный механизм, обеспечивает передачу крутящего момента от выходного вала (шлицевого вала) приводного механизма (основного электродвигателя), создающего крутящий момент, на вал поворотного элемента арматуры (шпиндель арматуры).
Основной электродвигатель, создающий крутящий момент, соединен с входным валом передаточного механизма, который в рассматриваемом устройстве выполнен в виде комбинированной червячно-планетарной передачи, и обеспечивает быстрое вращение этого вала (быстроходный вал передаточного механизма), с другой стороны передаточный механизм через свой выходной вал связан с валом поворотного механизма (шпинделем арматуры). Выходной вал передаточного механизма (тихоходный вал передаточного механизма) обеспечивает передачу большого крутящего момента при медленном вращении на шпиндель арматуры.
В рассматриваемом приводном устройстве вспомогательный двигатель предназначен для создания приводом повышенного крутящего момента, необходимого для уплотнения (разуплотнения) затвора.
Существенными недостатками известного изобретения являются сложность конструкции, включающей комбинированную червячно-планетарную передачу, необходимость обеспечения совместного управления основным и вспомогательным электродвигателями, а также значительные габариты приводного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Non-collinear valve actuator» (Патент США 8322685, F01B 9/00, F16K 31/12, F16K 31/44, опубл. 04.12.2012), которое применяется для регулирования потока в четвертьоборотных клапанах, в которых для передачи движения от приводного механизма к затвору запорной арматуры также используется рычажный механизм. Четвертьоборотный привод затвора, представляющего собой клапан для регулирования потока, состоит из корпуса, в котором расположены рычажный и приводной механизмы, при этом приводной механизм может быть выполнен электрическим, пневматическим, гидравлическим или ручным. Затвор запорной арматуры и приводной механизм связаны между собой рычажным механизмом. Рычажный механизм содержит первый рычаг, к одному из концов которого прикладывается поступательное усилие от приводного механизма, другой конец первого рычага шарнирно связан с одной стороной шатуна (связующего элемента). Вторая сторона шатуна шарнирно связана с одним из концов второго рычага, другой конец второго рычага связан со шпинделем затвора запорной арматуры.
Недостатком рассмотренного привода, обеспечивающего преобразование управляющего осевого (поступательного) усилия во вращательное перемещение выходного звена является необходимость создания существенных осевых усилий для создания больший моментов на запорном элементе и то, что предлагаемый механизм создает увеличенный момент только в промежуточном положении запорного органа.
Использование четырехзвенного рычажного механизма в качестве передаточного механизма в приводе для передачи крутящего момента от приводного устройства, создающего крутящий момент, к поворотному элементу четвертьоборотной арматуры обеспечивает существенное снижение габаритов передаточного механизма и упрощение конструкции привода за счет отказа от использования червячной или зубчатой передачи.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение силовых характеристик известного четвертьоборотного привода.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение крутящего момента, значительно изменяющегося по величине на рабочем ходе поворотного элемента арматуры и достигающего максимальных значений в крайних положениях поворотного элемента арматуры.
Указанный технический результат достигается за счет того, что привод для четвертьоборотной арматуры включает корпус, устройство, создающее крутящий момент (приводное устройство), размещенное на корпусе, передаточный механизм, размещенный внутри корпуса. Передаточный механизм выполнен в виде четырехзвенного механизма. Четырехзвенный механизм (шарнирный четырехзвенник) включает первый рычаг, закрепленный с одной стороны в корпусе с возможностью вращения и связанный с валом устройства, создающего крутящий момент, а с другой стороны первый рычаг шарнирно связан с одной из сторон связующего элемента. С другой стороны связующий элемент шарнирно связан с одной из сторон второго рычага, а другая сторона второго рычага закреплена в корпусе с возможностью вращения и связана с валом поворотного элемента арматуры.
Важным условием для обеспечения работы такого рычажного механизма является соблюдение соотношения, при котором длина плеча первого рычага короче длины плеча второго рычага, настолько, что первый рычаг совершает четверть оборота, а второй рычаг совершает больше четверти оборота, но не более оборота.
Длины плеч рычагов рассчитываются и могут подбираться исходя из требуемых силовых характеристик передаточного механизма и требуемого диапазона изменения передаточной функции на полном ходе (четверть обороте) вала поворотного элемента арматуры.
В качестве устройства, создающего крутящий момент (приводного устройства), могут быть использованы любые преобразователи, создающие на выходе требуемый для обеспечения работы привода крутящий момент. Это могут быть, например, электрический, гидравлический, пневматический или электромагнитный двигатели, или, ручной привод, а также любое другое приводное устройство, например электромеханический привод с редуктором и электродвигателем или подобное.
Выполнение передаточного механизма в приводе для четвертьоборотной арматуры в виде четырехзвенного рычажного механизма, обеспечивающего передачу крутящего момента от вала устройства, создающего крутящий момент, на вал поворотного элемента четвертьоборотной арматуры со значительным усилением, обеспечивающим рабочий ход поворотного элемента, позволило обеспечить как минимум трехкратную разницу между моментом, развиваемым приводным устройством, создающим крутящий момент, и моментом, развиваемым передаточным механизмом на краях диапазона перемещения вала, передающего крутящий момент на поворотный элемент арматуры.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами:
Фиг. 1. Общий вид предлагаемого привода для четвертьоборотной арматуры;
Фиг. 2. Разрезы по А-А и Б-Б;
Фиг. 3. Положение рычагов при закрытой арматуре;
Фиг. 4. Промежуточное положение между закрытой и открытой арматурой;
Фиг. 5. Положение рычагов при открытой арматуре;
Фиг. 6. Зависимость момента на поворотном элементе от его углового положения;
Фиг. 7. Схема четырехзвенного механизма.
Привод четвертьоборотной арматуры включает устройство 1, создающее крутящий момент (приводное устройство), выполненное в виде, например, электродвигателя, но это также могут быть или гидравлический, или пневматический или электромагнитный двигатели, или, например, ручной привод, содержащий колесо или рычаг ручного управления. Выходной вал 2 устройства 1, создающего крутящий момент, соединен с передаточным механизмом 3, размещенным в корпусе 4, при этом устройство 1, создающее крутящий момент, расположено на корпусе 4.
Передаточный механизм 3 выполнен в виде четырехзвенного механизма и включает первый рычаг 5, закрепленный в корпусе 4 с возможностью вращения, например, посредством подшипников 6, при этом рычаг 5 одним концом через отверстие корпусе 4 соединен, например, посредством муфты 7 с выходным валом 2 устройства 1, создающего крутящий момент. Другим концом рычаг 5 шарнирно связан с одним из концов связующего элемента, в данном случае, шатуна 8, например, посредством пальцев 9, установленных на подшипниках 10 в отверстии на конце рычага 5. Другой конец шатуна 8 шарнирно связан с рычагом 11, например, посредством пальцев 9, установленных на подшипниках в отверстии на конце рычага 11. Рычаг 11 закреплен в корпусе 4 с возможностью вращения, например, посредством подшипников 12. Через отверстие в корпусе 4 на другом конце рычаг 11 связан с входным валом 13 (шпинделем) поворотного элемента, например, затвора или клапана, арматуры.
Длины плеч рычагов 5 и 11, длина плеча шатуна 8 и расстояние между осями вращения рычагов 5 и 11 влияют на передаточную функцию.
Диапазоны вращения рычагов 5 и 11 определяются согласно ниже приведенным зависимостям, исходя из необходимой величины передаваемых моментов, реакций, возникающих в шарнирах, из их конструкции. При этом для определения указанных длин плеч фиксируется один из расчетных параметров, а затем остальные параметры подбираются с использованием приведенных ниже зависимостей.
а
На фиг. 7 показана схема четырехзвенного механизма, где плечо  - это плечо рычага 5, а плечо с - плечо рычага 11, d - расстояние между осями вращения рычагов, b - расстояние между шарнирами шатуна 8.
Для расчета размеров предлагаемого механизма используются следующие расчетные зависимости: Функция угла поворота β от начального угла α имеет вид:
Передаточная функция i(α), как отношение приращения угла β к приращению α, есть первая производная от функции угла поворота:
а
Длина плеча  рычага 5 выбирается исходя из конструкционных соображений в зависимости от величины передаваемых крутящих моментов и реакций, возникающих в шарнирах, исходя из их конструкции и т.д.
а
Длина плеча с рычага 11 выбирается больше длины плеча  рычага 5, поскольку рычаг 11 совершает четверть оборота, в то время, как рычаг 5 совершает больше четверть оборота, но не более оборота.
Один из предпочтительных вариантов использования предлагаемого изобретения можно получить, если применить в приводе четвертьоборотной арматуры систему управления устройством 1, создающим крутящий момент, в качестве которого взят, например, электродвигатель (на фиг. система управления не показана), получающую сигналы от датчика углового положения ротора и датчиков тока электродвигателя для получения информации о развиваемом моменте или от датчика момента, установленном на выходном вале 2 электродвигателя перед передаточным механизмом 3, или после передаточного механизма 3 на входном вале 13 поворотного элемента. На основе сигналов от датчиков система управления подает команды на управление электродвигателем, причем алгоритм работы системы управления должен учитывать изменение передаточной функции передаточного механизма 3 таким образом, чтобы избегать создания избыточного момента электродвигателем, путем ограничения развиваемого момента на участках, где передаточная функция велика.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При открывании арматуры из исходного положения «закрыто» (фиг. 3) устройство 1, создающее крутящий момент, начинает вращение выходного вала 2 в ту же сторону, в которую происходит открывание поворотного элемента арматуры - в данном описании - против часовой стрелки, передавая крутящий момент на передаточный механизм 3. При необходимости передаточный механизм 3 может быть выполнен для варианта, когда открытие поворотного элемента арматуры производится вращением по часовой стрелке.
Выходной вал 2 устройства 1, создающего крутящий момент, связанный с рычагом 5, передает ему вращение. В исходном положении, при котором система рычагов 5 и 11 и шатуна 8 находится в положении, равном или близким к «мертвой точке», когда проекция вектора силы, возникающей в пальце 9, соединяющим рычаг 5 и шатун 8, на линию передачи усилия от рычага 5 к рычагу 11 будет стремиться по своему значению к бесконечности, т.е. развиваемое усилие, направленное вдоль шатуна 8 будет достаточно велико и, таким образом, передаточное отношение механизма тоже будет достаточно велико. По мере поворота рычага 5 вокруг своей оси передаточное отношение между рычагом 5 и рычагом 11 будет уменьшаться (фиг. 4 и график 7 на фиг. 6).
В процессе перехода рычага 11 в положение, соответствующее положению «открыто», проекция вектора силы, возникающей в пальце 9, соединяющим рычаг 5 и шатун 8, на линию передачи усилия от рычага 5 к рычагу 11 начнет снова возрастать, при этом передаточное отношение между рычагом 5 и рычагом 11 будет также увеличиваться.
При закрывании арматуры работа предлагаемого передаточного механизма 3 будет происходить в обратном порядке аналогично рассмотренной.
На фиг. 6 приведены примеры зависимости момента на поворотном элементе арматуры от углового положения.
На фиг. 6 график 1 показывает известную типовую (обобщенную) зависимость момента на поворотном элементе арматуры от углового положения. Для надежного страгивания поворотного элемента арматуры приводной механизм должен обеспечивать момент, превышающий требуемый момент, возникающий на остальном ходе поворотного элемента. Момент страгивания в большинстве случаев действует на ходе не более 10° и требуется, чтобы он превышал момент, необходимый для движения на остальном ходе, например, шарового крана более чем в 3 раза.
На графике 2 (фиг. 6) показан развиваемый момент привода с постоянным передаточным отношением, необходимый для страгивания (начала движения) поворотного элемента арматуры. Для обеспечения открытия поворотного элемента арматуры необходимо приложить момент, превышающий момент страгивания, что и иллюстрирует график 2.
Для приводов поворотных элементов арматуры, например, шаровых кранов, введены дополнительные коэффициенты запаса: 1,3-1,5 и более по гарантированному развиваемому моменту, с данными по рекомендуемым коэффициентам запаса можно ознакомиться, например, в справочнике «Трубопроводная арматура с автоматическим управлением», авторы Гуревич Д.Ф., Заринский О.Н., Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982 - 320 с., стр. 196, или в специализированной литературе по выбору приводов для арматуры.
На графике 3, 4 (фиг. 6) показан развиваемый момент привода с постоянным передаточным отношением, с обеспечением коэффициентов запаса 1,3 и 1,5 по развиваемому моменту. На графиках 3, 4 (фиг. 6) можно увидеть, что развиваемый момент привода с постоянным передаточным отношением передаточного механизма на участках, кроме участка страгивания, существенно больше, чем требуется для надежного поворота поворотного элемента.
На графике 5 (фиг. 6) показана кривая момента с коэффициентом запаса 1,3 по отношению к моменту, возникающему на поворотном элементе арматуры. На графике 6 (фиг. 6) показана кривая момента с коэффициентом запаса 1,5.
Предлагаемый передаточный механизм имеет переменную передаточную функцию, обобщенно показанную на графике 7 (фиг. 6), из которого следует, что в полностью закрытом состоянии поворотного элемента арматуры, в котором требуется обеспечить момент страгивания, предлагаемый передаточный механизм имеет повышенное по сравнению с известными устройствами максимальное передаточное отношение и может развивать повышенный максимальный крутящий момент, а также может развивать повышенный момент в полностью открытом состоянии поворотного элемента.