Электропривод вращательного действия

Полезная модель относится к электроприводам трубопроводной арматуры, в частности к многооборотным электроприводам, и может быть использована в трубопроводном транспорте для управления потоком рабочей среды, например, нефти, газа и других продуктов.
Из патента РФ 192264 (опубл. 11.09.2019) известен электропривод для управления трубопроводной арматурой. Известный электропривод содержит блок электронного управления, электродвигатель, последовательно соединенные две волновых передачи с промежуточными телами качения (ПТК) и ручной дублер. Электропривод снабжен электромагнитным тормозом, содержащим механическую часть и электромагнит. Для обеспечения взрывозащиты электромагнитного тормоза он размещен во взрывозащитном корпусе.
Ручной дублер содержит червяк, на котором установлен маховик для вращения и который взаимодействует с червячным колесом, установленным на промежуточном звене первого волнового редуктора с ПТК.
Основным недостатком электропривода является его конструктивная и технологическая сложность. Это обусловлено использованием червячной передачи в кинематической связи маховика ручного привода с промежуточным звеном первой волновой передачи и использованием электромагнитного тормоза.
Из патента РФ 56542 (опубл. 10.09.2006) известен электропривод с ручным дублером для управления трубопроводной арматурой. Электропривод содержит блок управления, электродвигатель, ручной дублер и редуктор на основе передачи с ПТК. Конструктивное исполнение передачи с ПТК, в частности, конструкция ее выходного звена, не раскрыты в патенте.
На валу двигателя установлено зубчатое колесо, с которым приводят в зацепление шестерню на валу ручного дублера, для обеспечения ручного управления приводом. На другом конце вала двигателя, с противоположной от указанного зубчатого колеса стороны, установлен редуктор, входное звено которого неподвижно соединено с валом двигателя.
Ввиду расположения дублера и редуктора с обоих концов вала двигателя, блок управления расположен в отдельном корпусе, который консольно закреплен с корпусом электродвигателя. Необходимость изготовления двух отдельных корпусов и указанное консольное закрепление усложняют конструкцию и технологию изготовления привода. При этом корпус блока управления и корпус двигателя связаны кабельным соединением, оснащенным кабельными вводами, что дополнительно усложняет конструкцию и изготовление электропривода, особенно при изготовлении указанных корпусов и кабельного соединения во взрывозащищенном исполнении. При этом увеличиваются трудоемкость изготовления и массогабаритные показатели электропривода.
Из патента РФ 2258168 (опубл. 10.08.2005) известен электропривод вращательного действия, используемый для управления трубопроводной арматурой. Электропривод содержит электродвигатель, ручной дублер и редуктор на основе передачи с ПТК. Передача включает в себя эксцентриковый кулачок (генератор), зубчатый венец и промежуточные тела качения, размещенные в пазах сепаратора. Пазы сепаратора выполнены закрытыми (см. чертеж патента), т.е. имеют замкнутую с четырех сторон форму.
Соединение вала двигателя с входным валом передачи обеспечено через шестерню на валу двигателя, находящуюся в зацеплении с зубчатым колесом, которое жестко соединено с неподвижной полумуфтой. В свою очередь неподвижная полумуфта сопряжена с помощью криволинейных кулачков с подвижной полумуфтой, соединенной шлицевым соединением с ограничителем, жестко закрепленным на входном валу передачи.
Ручной дублер включает вал и маховик для его вращения. Для соединения вала ручного дублера с валом редуктора приводят в зацепление торцевые кулачки на соединяемых валах, зацепляющиеся при осевом перемещении вала ручного дублера. Возврат ручного дублера в исходное положение происходит за счет взаимодействия двух полумуфт (подвижной и неподвижной) с криволинейными кулачками.
Недостатком известного электропривода является его конструктивная и технологическая сложность. Это обусловлено необходимостью изготовления множества передаточных звеньев, сложностью изготовления закрытых пазов сепаратора. При изготовлении каждого закрытого паза необходимо вращать заготовку сепаратора в плоскости обрабатываемого паза, поэтому требуются более сложное оборудование и инструменты, и следовательно, увеличиваются трудозатраты.
Известен электропривод вращательного действия для управления трубопроводной арматурой
(https://tomzel.transneft.ru/u/section_file/408431/1021.25.327.00.00.000_re.pdf, свободный доступ), выбранный за ближайший аналог (прототип). Электропривод содержит блок электронного управления, электродвигатель, ручной дублер и передачу с ПТК. Передача с ПТК включает эксцентриковый генератор (входное звено), зубчатый венец и промежуточные тела качения, размещенные в пазах сепаратора (выходное звено). На входном звене передачи с ПТК установлено зубчатое колесо, образующее цилиндрическую передачу с шестерней на валу электродвигателя. Пазы сепаратора выполнены закрытыми (см. продольный разрез передачи с ПТК на листе 33).
Ручной дублер выполнен на основе червячного редуктора. Маховик ручного дублера установлен на червяке. Червячное колесо насажено на дополнительный вал, снабженный шестерней. Шестерня дополнительного вала входит в зацепление с центральным зубчатым колесом на входном звене передачи с ПТК через сателлит.
Блок электронного управления и электродвигатель расположены в отдельных корпусах (см. чертеж на листе 35), снабженных кабельными вводами и соединительным кабелем для осуществления электрической и информационной связи между двигателем и блоком управления.
Недостатком известного электропривода является его конструктивная и технологическая сложность. Это обусловлено необходимостью изготовления червячного редуктора и дополнительных передаточных звеньев между червячным редуктором и центральным зубчатым колесом, а также сложностью изготовления закрытых пазов сепаратора, т.к. при изготовлении каждого закрытого паза необходимо вращать заготовку сепаратора в плоскости обрабатываемого паза, поэтому требуются более сложное оборудование и инструменты. Кроме того, конструкцию и технологию изготовления электропривода усложняет расположение блока электронного управления и электродвигателя в отдельных корпусах, снабженных кабельными вводами и соединительным кабелем. В целом это увеличивает трудоемкость изготовления электропривода.
Технической задачей полезной модели является устранение недостатков аналогов путем упрощения конструкции и технологии изготовления электропривода, и следовательно, снижения трудоемкости его изготовления.
Технический результат полезной модели заключается в упрощении изготовления электропривода.
Техническая задача решается и технический результат достигается тем, что электропривод вращательного действия, как и ближайший аналог, содержит блок управления, электродвигатель, ручной дублер, передачу с промежуточными телами качения, включающую эксцентриковый генератор, зубчатый венец и промежуточные тела качения, размещенные в пазах сепаратора, при этом на эксцентриковом генераторе, являющемся входным звеном передачи, установлено зубчатое колесо.
В отличие от прототипа, пазы сепаратора выполнены открытыми, вал ручного дублера выполнен с возможностью зацепления своей шестерней с указанным зубчатым колесом для обеспечения ручного управления приводом, и блок управления размещен в одном корпусе с электродвигателем.
При этом вал ручного дублера установлен параллельно валу электродвигателя.
При этом на валу ручного дублера расположена пружина, обеспечивающая его возврат в исходное положение при прекращении режима ручного управления приводом.
При этом вал ручного дублера снабжен рычагом для удобства перехода в режим ручного управления.
Сущность полезной модели поясняют чертежи. На фиг. 1 показан электропривод вращательного действия в осевом разрезе. На фиг. 2 показан сепаратор передачи с ПТК.
Нижеуказанными позициями на чертежах обозначены следующие элементы:
1 – блок электронного управления; 2 – электродвигатель; 3 – вал ручного дублера; 4 – маховик; 5 – эксцентриковый генератор; 6 – зубчатый венец; 7 – промежуточные тела качения; 8 – сепаратор; 9 – шестерня; 10 – вал электродвигателя; 11 – зубчатое колесо; 12 – подшипник; 13 – корпус; 14 – выходной вал; 15 – шестерня на валу ручного дублера; 16 – пружина; 17 – корпус блока электронного управления и электродвигателя; 18 – рычаг; 19 – корпус ручного дублера; 20 – пазы сепаратора.
Электропривод вращательного действия на фиг. 1 содержит блок электронного управления 1, электродвигатель 2, передачу с промежуточными телами качения (ПТК) и ручной дублер, включающий вал 3 и маховик 4. Передача с ПТК включает эксцентриковый генератор 5, зубчатый венец 6 и промежуточные тела качения 7, размещенные в открытых пазах сепаратора 8. Шестерня 9 на валу 10 электродвигателя образует цилиндрическую передачу с зубчатым колесом 11, жестко и соосно установленным на эксцентриковом генераторе 5 (входном звене передачи с ПТК).
В конкретном исполнении на эксцентриковом генераторе 5 установлен подшипник 12 качения. В этом случае промежуточные тела качения 7 контактируют одновременно с наружным кольцом подшипника 12 и с внутренним профилем зубчатого венца 6.
Зубчатый венец 6 жестко соединен с неподвижным корпусом 13. Сепаратор 8 (выходное звено передачи с ПТК) установлен своей выходной частью на выходном валу 14 с возможностью совместного вращения вместе с выходным валом 14 для передачи вращения на трубопроводную арматуру.
Вал 3 ручного дублера установлен параллельно валу 10 двигателя. На вал 3 ручного дублера жестко посажена шестерня 15. Вал 3 ручного дублера выполнен с возможностью осевого перемещения в положение зацепления своей шестерней 15 с зубчатым колесом 11, для обеспечения ручного управления приводом. На валу 3 ручного дублера расположена пружина 16 сжатия с упором со стороны маховика 4 в буртик вала 3. На фиг.1 показан ручной дублер в его исходном положении, при котором шестерня 15 выведена из зацепления с зубчатым колесом 11, пружина 16 на валу 3 не сжата. Для удобства перехода в режим ручного управления вал 3 снабжен рычагом 18. Вал 3 установлен в корпусе 19 ручного дублера на подшипниках (на фиг. не обозначены). Корпус 19 ручного дублера жестко закреплен с корпусом 13.
Блок управления 1 электроприводом размещен в едином корпусе 17 с электродвигателем 2. При этом конец вала 10 двигателя с установленной на нем шестерней 9 выступает из корпуса 17. Корпус 17 жестко закреплен с корпусом 13. Контроль текущего углового положения вала 10 электродвигателя обеспечивает датчик положения/скорости (на фиг. не показан), связанный информационной линией связи с блоком управления 1. Для работы в опасных по взрыву условиях корпус 17 изготавливают во взрывозащищенном исполнении.
На фиг. 2 показан сепаратор 8 передачи с ПТК, выполненный с открытыми пазами 20.  При изготовлении открытых пазов 20 сепаратора 8 инструмент заводят в открытый паз заготовки сепаратора, находящейся в стационарном положении, поэтому не требуются сложные технологические оборудование и инструменты.
Работа электропривода вращательного действия осуществляется следующим образом.
При работе электропривода от электродвигателя 2 вращается шестерня 9, передающая вращение через зубчатое колесо 11 на эксцентриковый генератор 5, являющийся входным звеном передачи с ПТК. Эксцентриковый генератор 5 перемещает промежуточные тела качения 7 в пазах сепаратора 8. Промежуточные тела качения 7 контактируют с внутренним профилем зубчатого венца 6. За счет разницы количества тел качения 7 и внутренних профильных впадин венца 6 происходит поворот сепаратора 8, являющегося выходным звеном передачи с ПТК. Передача с промежуточными телами качения наряду с компактностью характеризуется большой нагрузочной и перегрузочной способностью, высоким выходным крутящим моментом, большим передаточным отношением, плавностью работы.
При вращении сепаратора 8 вращается неподвижно соединенный с ним выходной вал 14. Вращательное движение выходного вала 14 обеспечивает перемещение рабочего органа трубопроводной арматуры, например задвижки (клиновой, шиберной и т.п.) в направлениях «открыто - закрыто».
При отключении электродвигателя 2 и возникновении необходимости работы от ручного дублера вал 3 ручного дублера перемещают в его рабочее (нижнее) положение, обеспечивающее зацепление шестерни 15 с зубчатым колесом 11, т.е. обеспечивающее образование цилиндрической передачи шестерни 15 с зубчатым колесом 11. Вращая маховик 4 в том или ином направлении, перемещают выходное звено привода в сторону открытия или закрытия арматуры. При этом вал 10 обесточенного электродвигателя 2 свободно вращается при приложении к указанному валу вращающего момента, и датчик положения/скорости отправляет в блок управления 1 сигнал, характеризующий угловое положение вала 10 двигателя. В результате, контроль углового положения вала 10 электродвигателя, и следовательно, контроль положения запорного органа арматуры, при работе и от электродвигателя 2, и от ручного дублера обеспечен одним датчиком положения/скорости, что упрощает алгоритм управления.  При прекращении режима ручного управления вал 3 ручного дублера возвращается в исходное положение за счет разжатия пружины 16.
Таким образом, при производстве электропривода требуется изготовить меньшее (по сравнению с прототипом) количество деталей, и детали не требуют при изготовлении сложного оборудования и инструментов. Это существенно упрощает изготовление электропривода, и, следовательно, снижает трудоемкость его изготовления и улучшает технико-экономические показатели. Кроме того, размещение блока управления 1 в едином корпусе 17 с электродвигателем 2 уменьшает массогабаритные показатели электропривода. Наряду с вышеуказанным, изготовление ряда электроприводов с различными выходными параметрами (скоростью и усилием выходного звена) можно обеспечить за счет изменения коэффициента редукции цилиндрической передачи, используя при этом одни и те же передачу с ПТК и ручной дублер, что увеличивает унификацию ряда электроприводов вращательного действия.