CC BY
49
УДК 621.833.61
В.В. Аверина, асп., plyasova-v@rambler.ru,
А.В. Плясов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-23-80,
plyasov-a@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
К ОБОСНОВАНИЮ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЯДА СКОРОСТЕЙ И МОМЕНТОВ МНОГООБОРОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В ОДНОМ ГАБАРИТЕ ДЛЯ КЛИНОВЫХ ЗАДВИЖЕК ТРУБОПРОВОДНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ
Систематизированы параметры клиновых задвижек для трубопроводной арматуры разного диаметра и давления. Сделана попытка обосновать применение многооборотных электроприводов на базе многопоточных передач планетарного типа с возможностью построения параметрического ряда. Унификация и универсализация конструкции привода на базе новой схемы снижают номенклатуру изготавливаемых приводов.
Ключевые слова: запорная арматура, клиновая задвижка, шиберная задвижка, винт, шпиндель, двухступенчатая планетарная передача, многооборотный электропривод, параметрический ряд, сменные зубчатые колеса.
В газовой, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и атомной промышленностях в качестве запорной арматуры, как правило, используются задвижки клинового и шиберного типа (рис. 1). Их применение связано с малым гидравлическим сопротивлением в открытом состоянии и плавным перекрыванием трубопровода этой задвижкой без возникновения сильных динамических возмущений. В отличие от клиновых задвижек шиберные задвижки используются преимущественно в нефтяной промышленности из-за наличия в нефти различных твердых примесей, которые мешают закрытию затвора в клиновой задвижке. Но шиберные задвижки имеют недостатки, выражающиеся в больших габаритах и массе из-за большого хода ножа (в два или три раза больше диаметра трубопровода), перекрывающего сечение трубопровода. Транспортируемая среда (газ, нефть, вода и пар) находится в трубопроводе с диаметром условного прохода Dn = 50; 80; 100; 125; 150; 200; 250; ...;1000 мм (ГОСТ 28388-89) под давлением PN = 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 16,0; 25,0 МПа (ГОСТ 356-80). Трубопроводные магистрали с этими параметрами требуют использования высоконадежных приводов с большим ресурсом для открытия и закрытия задвижек, так как отказ электроприводов может привести к аварии на трубопроводе, большим потерям и экологической катастрофе.
Проведенный анализ литературы и каталогов по запорной арматуре показал, что на сегодняшней день на задвижки устанавливают электроприводы различных фирм, с большим количеством вариантов исполнения. К примеру, в каталоге на приводы [1] насчитывается более 50 экземпляров. Каждый привод в каталоге имеет оригинальные детали передач, разные
присоединительные [2] и габаритные размеры по электроприводу, редуктору и задвижке. Это не позволяет установить привода на задвижку с другими присоединительными размерами (F10, F14, F16, F20 и F25), но с теми же выходными параметрами по скорости и моменту. Вследствие этого, на одну и ту же задвижку устанавливают три или четыре привода с различными параметрами по скорости и крутящему моменту, хотя сам привод используется на задвижки для двух или трёх диаметров Dn из их широкого многообразия в каталоге продукции [1]. Такая ограниченность использования привода завышает его стоимость, увеличивает сроки проектирования и изготовления, и, конечно, снижает конкурентоспособность на рынке в России и за рубежом.
Втулка кулачковая
Стойка Вставка Подшипники
Вкладыш Фланец сальника Втулка сальника Набивка сальника Шпиндель Крышка Прокладка Клин Кольцо Корпус
Рис. 1. Конструкция клиновой задвижки запорной арматуры трубопроводного транспорта
В клиновых задвижках в большинстве случаев при вращении втулки кулачковой (гайки) шпиндель (винт) в бугеле движется поступательно без вращения относительно собственной оси (см. рис. 1). При этом шпиндель проходит сквозь редуктор (рис. 2) или колесо паразитной передачи,
170
а в задвижках с большим диаметром условного прохода и через электродвигатель (рис. 2) через отверстие в валах редуктора и ротора двигателя, предусмотренные в их конструкции. Максимальное перемещение - ход шпинделя определяется по диаметру условного прохода ОN запорной арматуры трубопроводных магистралей и определяется как
= Ок + (10...50), мм. (1)
Превышение значения хода шпинделя над значением диаметра условного прохода в 10...50 мм обусловлено особенностями конструкции седла (см. рис. 1) в каждой конкретной задвижке. Ход , в свою очередь, предопределяет время перемещения шпинделя tз при открытии и закрытии трубопровода.
Задаваясь диаметром шпинделя (по наружной поверхности витков) йв по отраслевому стандарту [3] определяем тип резьбы (обычно трапецеидальная) и её остальные параметры: количество заходов I (одно- или многозаходная) и шаг резьбы И [3, 4]. Эти параметры позволяют определить сколько оборотов N нужно совершить гайке (втулке кулачковой), чтобы открыть или закрыть трубопровод:
N = ^. (2)
И • I
Определив необходимое количество оборотов гайки, можно найти её частоту вращения, то есть частоту вращения выходного вала многооборотного электропривода:
60 N об
пГ =——,-. (3)
13 мин
Время закрытия (открытия) Хз для задвижек с одинаковым диаметром условного прохода нормируется давлением в трубе PN и растёт с его увеличением. Несоблюдение заданного времени закрытия приводит к процессам кавитации среды в задвижке, вследствие чего происходят отрицательные явления: вибрация подвижных деталей в задвижке и дополнительные потери на трение в опорах гайки и её сопряжении с винтом, что требует использования электропривода с большим крутящим моментом при той же частоте пг , иначе снижается ресурс привода. Устанавливаемый на задвижку привод должен обладать большим гарантированным ресурсом работы от 15 до 20 лет с двукратным запасом по моменту при сдёр-гивании клина в крайних положениях.
Согласно информации из каталога [1] (таблица) для задвижки с диаметром ОN = 100 мм используются приводы мощностью 0,5.4,0 кВт с массой привода 25.75 кг, что сравнимо или может превышать массу клиновой задвижки запорной арматуры.
Характеристики трубопроводной транспортной системы, её запорной арматуры и редукторного многооборотного электропривода к ним
№ Трубопровод Винтовой механизм клиновой задвижки с выдвижным шпинделем Универсальный многооборотный электропривод
Диаметр трубы БК, мм Давление в трубе РК, МПа Диаметр отверстия под проход шпинделя, мм Тип и параметры резьбы, ТгсЬхИ Присоединительный габарит м ч и д н и п а « о X Кол-во оборотов гайки N Время открытия/ закрытия, 1о, 4, с Частота вращения гайки пГ, об/мин Требуемый крутящий момент на гайке, Тг, Нм Синхронный электродвигатель Передаточное число редуктора
Мощность, Рдв, кВт, min Частота вращения, Пдв, об/мин
от электродвигателя Иред от ручного дублёра Ид
1 50 1,6 22 Тг20х4 F10(А) 64 16 21,5 44,5 60 0,45 1800 41,2 80
2,5 68 17 23
4,0 64 16 21,5
6,3 26 Тг24х5 80 16 21,5 65
1 6,0 32 Тг30х6 69 11,5 26,5 35,5 150 0,6 51,5 98
2 80 1,6 26 Тг24х5 F10(А) 100 20 27 44,5 65 0,45 1800 41,2 80
2,5 70
4,0
6,3 90 18 24 75
16,0 32 Тг30х6 ^14(Б) 84 14 48 17,5 230 103 202
3 100 1,6 26 Тг24х5 F10(А) 120 24 32 44,5 65 0,45 1800 41,2 80
2,5 70
4,0
6,3 105 21 49 26,5 165 68,7 127
16,0 32 Тг30х6 ^14(Б) 120 20 69 17,5 280 0,6 103 202
4 125 1,6 26 Тг24х5 F10(А) 135 27 36 44,5 70 0,45 1800 41,2 80
5 150 1,6 32 Тг30х6 F14(Б) 165 28 38 44,5 100 0,6 1800 41,2 80
2,5 162 27 46 35,5 140 51,5 98
4,0
6,3 168 28 65 26,5 170 68,7 127
6 200 1,6 32 Тг30х6 F14(Б) 216 36 44 35,5 130 0,6 1800 51,5 98
2,5 222 37 44 26,5 170 68,7 127
4,0 44 17,5 290 103 202
7 250 1,6 32 Тг30х6 F14(Б) 288 48 60 26,5 170 0,6 1800 68,7 127
Рис. 2. Конструкция электропривода задвижки запорной арматуры на базе многопоточной двухступенчатой планетарной передачи
Стандартом ЦКБА [2] регламентируется требуемый крутящий момент, но время не является постоянным параметром, что может вести к потерям на трение в задвижке и росту мощности двигателя. Задача создания параметрического ряда состоит в необходимости привести все электроприводы задвижек одного диаметра условного прохода (или нескольких близких по значению) с разным давлением к использованию двигателей одинаковой мощности. Использование электродвигателей другой большей мощности должно обосновываться только значительным увеличением
диаметра ОN. Таких двигателей должно быть пять-десять на всю номенклатуру выпускаемых задвижек, т. е. на каждый параметрический ряд используется один электродвигатель (или два с одинаковыми присоединительными размерами к редуктору) (табл.), охватывающий задвижки 3-5 диаметров ОN.
Электродвигатель по мощности подбирается в зависимости от требуемого крутящего момента на гайке Тг и её частоты вращения, определяющей передаточное число редуктора:
п п • /
и ~ дв = дв 1з (4)
Мред ~ пГ " 60N ■ (4)
Проведённый анализ приводов задвижек показал, что необходимы приводы с передаточным числом Иред = 30...120 (см. таблицу). Реализовать
такие передаточные числа удается за счет использования червячных или комбинированных рядовых зубчатых передач. Эти передачи на сегодняшний день исчерпали себя по габаритно-массовым параметрам, энерго- и ресурсосбережению [5].
Кроме того, их невозможно унифицировать в один параметрический ряд, т.к. изменение передаточного числа ведет к смене многих деталей и в том числе корпуса с резким изменением габаритных и присоединительных размером.
Для сокращения номенклатуры и использования приводов с одним корпусом и межосевым расстоянием (типоразмер) рекомендуется использовать электроприводы на базе многопоточной передачи планетарного типа, разработанной в Тульском государственном университете (см. рис. 2) [6, 7, 8].
Передача обеспечивает широкий диапазон передаточных чисел Иред = 20...100, а ввиду многопоточности обладает уменьшенными в 1,5 -
2,0 раза размерами, соосным расположением двигателя, редуктора, выходной гайки и шпинделя.
Но главное - передача позволяет в одном корпусе иметь несколько передаточных чисел и ред и перекрывать требуемый диапазон за счет смены колес быстроходной планетарной ступени при неизменной тихоходной (см. рис. 2). При смене колес сохраняется межосевое расстояние во внешних и внутренних зубчатых зацеплениях данной ступени. Отличие размеров и количества зубьев сменных колес не превышает 10.20 %, что позволяет в одном габарите изменять передаточное число от двух до семи раз по сравнению с максимальным итах = 206. Таким образом, новый планетарная передача позволяет унифицировать электроприводы клиновых задвижек по габаритам и мощности (см. таблицу), что резко уменьшает их
174
номенклатуру, массу, габариты и стоимость.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Список литературы
1. http://www.bazrb.ru/node/174 - Каталог изделий. Сентябрь 2011. Благовещенский арматурный завод.
2. СТ ЦКБА 062-2009 (введен с 01.07.09 взамен ОСТ 26-07-763-73). Арматура трубопроводная. Приводы вращательного действия. Присоединительные размеры. СПб.: Изд-во ЗАО «НПФ «ЦКБА», 2009. 35 с.
3. ГОСТ 24737-81. Резьба трапецеидальная однозаходная. Основные размеры. - Введ. 01.01.82. М.: Изд-во стандартов, 1981. 8 с.
4. ГОСТ 24738-81. Резьба трапецеидальная однозаходная. Диаметры и шаги. Введ. 01.01.82. М.: Изд-во стандартов, 1981. 6 с.
5. Силовые планетарные электроприводы запорных органов трубопроводного транспорта нового технического уровня и их проектирование / П.Г.Сидоров [и др.] // Известия ТулГУ. Сер. Машиноведение, система приводов и деталей машин. 2004. Вып. 1. С. 2537.
6. Двухступенчатая планетарная передача: пат. 2402707 Рос. Федерация. № 2008139793/11; заявл. 08.10.2008; опубл. 27.10.2010, Бюл. № 30.
7. Сидоров П.Г., Пашин А.А., Плясов А.В. Многопоточные зубчатые трансмиссии: теория и методология проектирования / под общей ред. П.Г. Сидорова. М.: Машиностроение, 2011. 340 с.
8. Многооборотный электропривод трубопроводной арматуры: монография / под ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 322 с.
V.V. Averina, A.V. Plyasov
SUBSTANTIATION OF A DIMENSIONAL NUMBER OF THE ELECTRIC DRIVE FOR WEDGE AND SLIDE GATES OF ARMATURE OF PIPELINE SYSTEMS
The parameters of wedge and slide latches for pipeline armature of different diameter and pressure are systematized. Application of multiturnaround electric drives on the basis of multiline transfers ofplanetary type with possibility of creation dimensional number is proved. Unification and a universalization of a design of a drive on the basis of the new scheme reduces nomenclatures of drives.
Key words: pipeline armature, wedge latche, slide latche, a screw, a spindle, two-level planetary transfer, a multiturnaround electro-drive, dimensional number, replaceable gears.
Получено 18.10.11
