ЭЛЕКТРОПРИВОД ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ
CONTROL VALVE ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к приводам управления трубопроводной арматурой и может быть использовано в трубопроводном транспорте для управления потоком рабочей среды, например нефти, газа и других продуктов.
Привод запорной арматуры в самом общем случае содержит электродвигатель с редуктором и ручной дублер для управления арматурой в условиях аварийного отключения электричества. Компоновка двигателя и редуктора должна допускать большие линейные перемещения штока трубопроводной арматуры. Основной проблемой приводов запорной арматуры является безопасное переключение исполнительного механизма с электрического на ручное управление и обратно. Самая простая схема подключения ручного управления реализована в электроприводе арматуры по патенту RU 2132990. Маховик ручного дублера выполнен съемным. Переключение осуществляется осевым смещением маховика, при котором замыкается кинематическая связь ручного дублера и ведомого вала привода и одновременно срабатывает электрический выключатель, отключающий питание двигателя. Основным недостатком такого привода является большая зависимость от человеческого фактора, так как после случайного отключения включение электрического управления невозможно без выезда оператора на место. Кроме того, надежность работы электрического выключателя, особенно в полевых условиях, значительно ниже надежности механических систем.
Известны приводы RU 22113890, US 7055795, в которых используют двухстороннюю кулачковую муфту, которая, перемещаясь по шлицам ведомого вала привода, поочередно связывает с ним либо вал ручного маховика, либо вал двигателя, разрывая другую связь. Перемещение муфты в обе стороны может осуществляться рычагом, либо в одну сторону муфта перемещается рычагом и фиксируется защелкой, а возвращается в другое положение с помощью пружины после разблокирования защелки. Таким приводам присущ основной недостаток, описанный выше, а именно переключение с ручного управления на электрическое возможно только оператором на месте.
Для автоматического размыкания связи между ручным маховиком и кулачковой муфтой при включении питания электродвигателя используют элементы с криволинейными торцевыми кулачками SU 1421944, RU 2239116. Недостатками этих технических решений является большое количество кинематических связей, что усложняет работу и снижает надежность приводов.
В качестве прототипа выбран электропривод с ручным дублером (RU 56542). Привод содержит корпус, в котором перпендикулярно друг к другу установлены валы двигателя и ручного дублера. На валах установлены зубчатые колеса, которые зацепляются друг с другом при продольном перемещении вала ручного дублера по шлицам в корпусе. На валу ручного дублера расположена пружина, которая возвращает ручной дублер в исходное положение после прекращения давления на маховик. При ручном управлении приводом оператору приходится одновременно давить на маховик, преодолевая сопротивление пружины и вращать его, что крайне неудобно и требует больших физических усилий. При неожиданном включении электропитания возникает удар на маховик, так как дублер отключается только после того, как оператор отпускает маховик. Такой ручной дублер прост, но очень неудобен в эксплуатации и опасен для оператора.
Таким образом, остается актуальной задача создания простого, надежного и безопасного привода, имеющего малое количество деталей и невысокую стоимость.
Техническим результатом изобретения является разделение усилий вращения маховика и приведения ручного дублера в рабочее положение.
Техническим результатом другого варианта воплощения изобретения является автоматический разрыв связи ручного дублера с двигателем при неожиданном включении электродвигателя.
Для решения поставленной задачи привод запорной арматуры, как и прототип, содержит электродвигатель, связанный с входным валом редуктора, ручной дублер и механизм переключения привода с электрического на ручное управление. Валы электродвигателя и ручного дублера установлены в корпусе перпендикулярно друг к другу и на них закреплены зубчатые колеса, которые приводятся в зацепление механизмом переключения привода в ручное управление.
В отличие от прототипа механизм переключения выполнен в виде эксцентриковой втулки, посредством которой вал ручного дублера установлен в корпусе, втулка снабжена рычагом для ее поворота в корпусе. При повороте эксцентриковой втулки вал ручного дублера вместе с зубчатым колесом перемещается в направлении, перпендикулярном оси ручного дублера, и колесо на валу ручного дублера входит в зацепление с колесом на валу двигателя.
Для того чтобы зафиксировать ручной дублер в этом рабочем положении целесообразно на боковой поверхности вставки выполнить защелку в виде подпружиненного шарика. Чтобы ручной дублер отключался после включения двигателя, на валу ручного дублера установлена фрикционная шайба, поджимаемая к торцу эксцентриковой втулки упругим элементом с регулируемым усилием.
На фиг.1 представлен вид привода в осевом сечении, а на фиг.2 - вид на механизм переключения привода на ручное управление (маховик ручного управления снят).
Привод содержит корпус, состоящий из двух цилиндрических плеч 1 и 2, перпендикулярных друг к другу. В цилиндрическом корпусе 1 выполнено посадочное отверстие для электродвигателя 3, а в корпусном элементе 2 выполнено отверстие 4 для вала 5 ручного дублера. Вал 6 электродвигателя и вал 5 ручного дублера перпендикулярны друг другу. Вал 6 электродвигателя связан со входным валом 7 редуктора (редуктор не показан) и на нем жестко закреплено коническое зубчатое колесо 8. На валу 5 ручного дублера с одной его стороны жестко посажено коническое колесо 9, а с другой стороны посажен маховик 10 с рукояткой вращения 11. Следует отметить, что одно из колес в паре 8-9 может быть плоским, тогда ответное колесо может быть цилиндрическим.
Вал 5 ручного дублера посажен в корпусе 2 через эксцентриковую втулку 12, которая имеет возможность поворота в корпусе с помощью рычага 13, проходящего в сквозном пазу 14 на боковой поверхности корпуса 2 (см. фиг.2). В принципе уже эта конструкция позволяет при ручном управлении разделить усилие на два отдельных движения. Поворотом и удержанием рычага 13 включается ручное управление при отключении питания электродвигателя, а вращением маховика 10 управляют движением рабочего органа запорной арматуры.
Дальнейшие несложные усовершенствования конструкции позволяют добиться режима автоматического отключения ручного дублера при срабатывании двигателя. Для этого на боковой поверхности эксцентриковой втулки 12 выполнено отверстие 15, в котором установлены пружина 16 с шариком 17, а в корпусе 2 - ответный паз 18, образующие защелку, фиксирующую положение втулки 12 в положении включенного ручного дублера. Между маховиком 10 и торцевой поверхностью втулки 12 на валу 5 ручного дублера установлена фрикционная шайба 19. Маховик 10 передает вращение на вал 5 с помощью шпонки 20 и поджимается к торцу втулки 12 с помощью шайбы 21, упругого кольца 22 и винта 23. Винтом 23 можно регулировать силу, с которой фрикционной шайба 19 поджимается к эксцентриковой втулке 12.
Рассмотрим работу предлагаемого привода сначала в более простом варианте исполнения. В режиме электрического управления эксцентриковая втулка 12 повернута в корпусе 2 так, что ось вала 5 занимает крайнее нижнее положение, показанное на фиг.1 пунктиром. Зубчатое колесо 9 при этом выведено из зацепления с колесом 8. Вращение вала 6 двигателя 3 передается на входной вал 7 редуктора и далее к рабочему органу запорной арматуры. При обесточивании двигателя 3 поворотом рычага 13 вверх до упора вал 5 поднимается в крайнее верхнее положение и колесо 9 зацепляется с колесом 8. Вращение на входной вал 7 редуктора подается от маховика 10 ручного дублера. Оператору необходимо лишь фиксировать рычаг 13 в нужном положении и вращать рукоятку 11 маховика 10. В этой простейшей конструкции при неожиданном включении двигателя динамический удар через зубчатую пару 8-9 по валу 5 поступит на маховик 10 и втулку 12 с рычагом 13. Оператор освободит рычаг 13, и втулка 12 повернется в корпусе 2, разрывая связь колес 8 и 9.
Привод с шариковой защелкой и фрикционной шайбой 19, изображенный на фиг.1, в режим ручного дублера будет переводиться также поворотом рычага 13. Затем эксцентриковая втулка 12 будет удерживаться в нужном положении подпружиненным шариком 17, фиксированном в шлице 18. При неожиданном включении электропитания двигателя 3 вращение зубчатого колеса 8 будет одновременно поворачивать колесо 9 вокруг собственной оси и отодвигать колесо 9, стремясь повернуть его вместе с эксцентриковой втулкой 12 в корпусе 2. Если сопротивление вращению между втулкой 12 и валом 5 будет больше чем сопротивление между втулкой 12 и корпусом 2, то вал 5 вращаться не будет совсем, а сразу повернется втулка 12 и выведет колесо 9 из зацепления с колесом 8. Тем самым связь между двигателем 3 и ручным дублером будет разорвана. Соответствующие сопротивления зависят от многих факторов: от чистоты обработки и состояния соответствующих поверхностей, от выбранных материалов, от силы сжатия пружины! 6, глубины шлица 18 и не могут быть определены расчетным путем. Для каждого конкретного привода их лучше подобрать экспериментально. Для выполнения требуемого условия между валом 5 и втулкой 12 установлена фрикционная шайба 19. Винтом 23 через упругий элемент 22 регулируют силу поджатия шайбы 19 к втулке 12 до такой величины, при которой сопротивление трения в паре вал 5 - втулка 12 становится больше сопротивления в паре эксцентриковая втулка 12 - корпус 2. Т.е. экспериментальным путем производят настройку конкретной конструкции на мгновенное отключение ручного дублера при включении электропитания.
Таким образом, предложена очень надежная, простая и удобная в эксплуатации конструкция привода.