CC BY
8УДК 621-01 DOI: 10.12737/18263
Е. В. Плахотникова
КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ «ЭЛЕКТРОПРИВОД - ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА» С ПОЗИЦИИ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЦИКЛА «ОТКРЫТО-ЗАКРЫТО»
Рассмотрены теоретические предпосылки введения новой научной классификации систем «электропривод - запорная арматура». Приведены основные математические зависимости, позволяющие выделить в качестве классификационного признака вид энергии, используемый для реализации рабочего цикла «открыто-закрыто. Представлены основные классификационные варианты систем,
формализованы признаки перехода из одной системы в другую. Даны практические пояснения особенностей систем в соответствии с предложенной классификацией.
Ключевые слова: классификация, электропривод, трубопроводная запорная арматура, источники энергии.
E.V. Plakhotnikova
CLASSIFICATION OF "ELE CTRIC DRIVE - STOP VALVE" SYSTEMS FROM POSITION OF ENERGY SOURCE USED FOR "OPEN-CLOSED" CYCLE CARRYING OUT
The common purpose of investigation - development of theory and methods of open-closed" systems design.
The investigation problems: development of criteria for the functional compatibility of an electric drive and stop valve within the limits of a system, the classification of "electric drive -stop valve" systems from the position of energy sources used, that allows increasing a technical effectiveness, competitiveness of domestic produce and defining the ways for the realization of the priority trend of the RF in the field of import substitution.
The paper is a generalization of theoretical and practical investigations of the author directed to the
Научная классификация (систематизация) должна выражать систему законов, присущих отображенному в ней фрагменту действительности, которые обусловливают зафиксированные в классификации свойства и отношения объектов. Их систематизация призвана учитывать тот факт, что в природе нет строгих разграничений и переходы от одного класса к другому -неотъемлемое свойство действительности [1].
Системы «электропривод - запорная арматура» состоят из двух технических подсистем: электромеханической подсистемы электропривода и механической подсистемы запорной арматуры. Каждый из элементов системы имеет различные
development of a complex approach to the design of "electric drive - stop drive" systems. The paper reposts theoretical prerequisites for the introduction of a new scientific classification of "electric drive-stop valve" systems from the position of energy types used for the realization of the "open-closed" working cycle. Basic classification variants of systems, signs of transition of one system into other, system properties within the limits of the classification offered are shown.
Key words: classification, electric drive, pipeline stop valve, energy source.
виды классификации, базирующиеся на признаках, являющихся для них наиболее общими.
В настоящее время к электроприводам применяются следующие виды классификации [2]:
- по виду движения выходного звена: многооборотные, неполнооборотные (од-нооборотные) и прямоходные;
- по виду ограничения крутящего момента: с односторонним и двусторонним ограничением крутящего момента (или усилия) на выходном валу (или штоке);
- по назначению: электроприводы нормального (общепромышленного) ис-
полнения, взрывозащищенного исполнения и повышенной безопасности для АС;
- по типу передач редуктора электропривода: червячные, планетарные, цилиндрические, волновые, кулисно-винтовые, спироидные и др.;
- по способу силового ограничения: с отключением электродвигателя (электрическим, электромеханическим или электронным), размыканием силовой цепи механизма (электромагнитным, фрикционным или фрикционно-кулачковым) и т.д.
Запорная арматура классифицируется:
- по размерам условных диаметров: сверхмалых, малых, средних, больших и сверхбольших диаметров;
- по условным давлениям: арматура для глубокого вакуума, вакуумная, малых, средних, высоких и сверхвысоких давлений;
- по способу крепления в трубопроводе;
- по способу расположения и т.д. [3].
Все перечисленные классификации
базируются на принципах научной систематизации [1], но используемая дифференциация, связанная с классификацией электропривода и запорной арматуры как отдельных элементов, т.е. вне системы, не
позволяет описать систему законов, определяемых их интеграцией.
Исследования систем «электропривод - запорная арматура» позволили выявить общее свойство, присущее всем системам указанного типа, которое может являться классификационным признаком и основанием для введения новой классификации в отношении рассматриваемого технического объекта.
Речь идет о виде энергии, используемом при реализации рабочего цикла «открыто-закрыто», когда система «электропривод - запорная арматура» создает необходимое усилие на контактирующих поверхностях рабочего органа запорной арматуры и посадочного места, обеспечивая требуемую герметичность трубопровода.
Система «электропривод - запорная арматура», несмотря на простоту своей конструкции, является сложной технической системой, изменяющей в процессе функционирования законы взаимодействия элементов.
Условно рабочий цикл, определяющий переход рабочего органа запорной арматуры из положения «открыто» в положение «закрыто», обеспечивающее требуемую герметичность трубопровода, можно разделить на два основных периода (рис.1).
Рис. 1. Кинематические схемы реализации рабочего цикла «открыто-закрыто» системой «электропривод - запорная арматура»: а - до соприкосновения с запорным органом;
б - после соприкосновения
Первый период (рис.1 а) определяет работу системы при реализации холостого хода, т.е. до соприкосновения рабочего органа арматуры с посадочным местом на трубопроводе. Он составляет до 90 % суммарного времени, затрачиваемого на выполнение рабочего цикла «открыто-закрыто».
Особенность работы системы в первом периоде заключается в отсутствии осевого перемещения червяка 3 (рис. 1а), подпружиненного с обеих сторон силоиз-мерительными пружинами 4 (рис. 1б). При этом энергия асинхронного электродвигателя 1 практически полностью преобразуется во вращательное движение выходного вала привода 6 и через винтовую пару шпинделя арматуры 7, в случае использования в системе арматуры с прямолинейным движением рабочего органа (задвижки или клапана 8), обеспечивает поступательное перемещение запорного органа 8 в направлении посадочного места 9.
Второй период (рис. 1 б) определяет работу системы «электропривод - запорная арматура» после достижения запорным органом арматуры посадочного места на трубопроводе - седла 9, что обеспечивает герметичность перекрытия трубопровода.
В период герметизации червячное колесо 5 практически останавливается; под действием сил, условно представленных на схеме в точке а (рис.1 б), червяк начинает смещаться вдоль червячного вала, сжимая при этом одну из силоизмерительных пружин 4. Степень сжатия пружины 4 определяется параметрами настройки системы на отключение. При этом систему можно сравнить с неравноплечими весами, находящимися в равновесии.
Условие равновесия системы, пренебрегая моментом, возникающим от перекоса линии действия силы Рпр;(Н), сжимающей пружину, относительно соответствующей оси червячного колеса, что дает погрешность не более 5 % , можно с учетом равенства окружной силы на червячном колесе Ртч,к и осевой силы на червяке Ртч представить зависимостью
.
Здесь РпрI - сила сжатия пружины; Рзаю - суммарная сила, действующая в запорной арматуре при обеспечении герметичности трубопровода; Рхв - ход резьбы (Рхв= ^х.въ, где тхв - шаг ходового винта запорной арматуры; ъ - число заходов резьбы); г0 - радиус червячного колеса; - коэффициент полезного действия червячной передачи с учетом потерь на трение; Ц2 - коэффициент полезного действия винтовой передачи шпинделя арматуры с учетом потерь на трение в резьбовой паре.
В момент герметизации элементы системы испытывают упругие деформации. Функции приращения сил Рзакг(Аг), Рпрг- (X), где Аг- соответствуют суммарной деформации подсистемы запорной арматуры [5], а X - деформации силоизмерительной пружины, подчиняются линейному закону.
При достижении заданных параметров настройки системы, определяемых нормированным значением силы Рзаю, электродвигатель 1 (рис.1 б) отключается и накопленная кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию деформируемых элементов.
Обобщенное уравнение, определяющее баланс энергий в системе «электропривод - запорная арматура» в момент инерционного выбега, можно представить зависимостью
(1)
где Еп1 - потенциальная энергия сжимаемой силоизмерительной пружины; Еп2 -энергия, расходуемая на деформацию запорной арматуры; X Екин - кинетическая энергия останавливающейся системы.
. (2)
Здесь Jl - момент инерции ротора двигателя; J2 - момент инерции вала червяка; Jз - момент инерции червяка; тч -масса червяка; О - угловая скорость выходного вала электродвигателя; Кобч - осевая скорость червяка в момент отключения электродвигателя, которая при условии равновесия системы определяется выражением
у - Цы ^
,
где пэд - частота вращения выходного вала электродвигателя; / - передаточное отношение редуктора; Скл - жесткость запорной арматуры; кпр - жёсткость силоизме-рительной пружины.
Распределение кинетической энергии в уравновешенной системе происходит пропорционально коэффициенту (Кс), зависящему от соотношения жесткостей запорной арматуры (Скл) и силоизмеритель-ной пружины (кпр), КПД электропривода (^1) и запорной арматуры (^2), а также параметров, определяемых конструкцией системы (Р х.в? го).
Значение коэффициента Кс определяется зависимостью
^ = = —. ^ .
С учетом коэффициента Кс выражение (1) примет вид
2ЕКНН =Еа2(Кс+1). (3)
Полученное выражение (3) позволяет далее, рассматривая только подсистему запорной арматуры, получить основные зависимости, характеризующие функционирование системы, что пояснит предпосылки введения новой классификации.
Для выделения классификационного признака системы «электропривод - запорная арматура» рассмотрим процесс формирования суммарной деформации (ЕЛ), возникающей в подсистеме запорной арматуры, на протяжении второго периода, т.е. с момента соприкосновения запорного органа с посадочным местом на трубопроводе до полной остановки системы.
В общем виде деформацию ЕЛ будет определять выражение
Ей=Др + Ди , (4)
где ЕЛ - суммарная деформация запорной арматуры; Лр - деформация системы, обеспечиваемая работающим электродвигателем; Ли - деформация системы в период инерционного выбега.
Для составления общего уравнения баланса энергий, расходуемых системой при обеспечении деформации ЕЛ, положенного в основу предлагаемой классификации, рассмотрим график зависимости модуля внешней силы Рзак/ от деформации запорной арматуры Л/ (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость модуля внешней силы Рзак от деформации запорной арматуры
Линейность функции Рзак/(Л/) (рис. 2) определяется работой системы (на протяжении рассматриваемого периода) в области упругих деформаций, что экспериментально и теоретически доказано в предыдущих работах [4; 5].
Значение силы Рзак/, действующей в /-й момент времени, можно определить, согласно закону Гука, выражением
Р«ы=Скя- К (5)
Энергию, расходуемую в подсистеме запорной арматуры для обеспечения требуемой герметичности, удобно выразить через площадь треугольника о-4-3.
Энергия, передаваемая подсистеме работающим электродвигателем, будет определяться площадью треугольника о-1-2.
Кинетическая энергия, графически определяемая площадью трапеции 1-2-3-4, математически может быть вычислена из выражения (3).
В результате общее уравнение баланса энергий в подсистеме запорной арматуры в период обеспечения герметичности при выполнении цикла «открыто-закрыто» будет иметь вид
--1Р
2
2
;: -;: (6)
Из выражения (6) с учетом формул (2) и (5) значение деформации Лр можно определить зависимостью
(7)
Значение деформации запорной арматуры Ли, обеспечиваемой инерционным выбегом после отключения электродвига-
теля, с учетом формулы (7) можно выразить из уравнения (4):
. (8)
л] (Кс+^Ск
Классификационным признаком системы будет являться соотношение деформаций Ар и Аи, определяемых источниками энергии, используемыми при выполнении цикла «открыто-закрыто».
Анализ выражения (8) позволяет определить теоретическую возможность различных вариантов работы системы «электропривод - запорная арматура», используемых в предлагаемой далее классификации. Условием перехода из одной системы в другую является значение подкоренного выражения в формуле (8).
Различные классификационные варианты приведены в таблице.
Таблица
Классификация систем «электропривод - запорная арматура» по видам используемой энергии
Система
Классификационный признак
Схема нагру-жения
1. Комбинированная
'■Ч гп6л.
2. Инерционная
ЕД2 ■ Сщ, ■ (Кс + 1) = (/1+Л +Л) ■ м- + ■
3. Инерционно избыточная
ЕД2 ■ С^ ■ (кс + 1} < (А + к +7з) ■ + ■
4. Безынерционная
СЬ+А+Л)-«Ч-т*-= о
Рассмотрим особенности систем в соответствии с приведенной классификацией.
1. Комбинированная система, наиболее широко используемая в настоящее время. В системе применяется наиболее дешевый асинхронный электродвигатель. Энергии работающего двигателя и выбега сбалансированы соответственно равенству
(4).
2. Инерционная система, использующая только энергию пуска асинхронного электродвигателя. В данном случае величина Ар пренебрежимо мала. Система может быть использована для быстродей-
ствующих систем «электропривод - запорная арматура». В настоящее время подобные системы не получили широкого распространения, но при умышленном увеличении момента инерции, например маховиком, могут успешно применяться.
3. Инерционно избыточная система -вариант предыдущей системы с использованием коэффициента запаса
Д1 = —.
ЕЛ
4. Безынерционная система, наиболее перспективная в ближайшем будущем. В качестве двигателя используется шаговый двигатель с программным управлением. Двигатель безынерционен и после отра-
ботки заданного цикла (шагов) останавливается. Система легко реализуется при снижении стоимости шагового двигателя и системы управления, что было отмечено в работах О.Н. Шпакова [7].
Цель приведенной классификации состоит в том, чтобы обратить внимание производителей систем «электропривод -запорная арматура», особенно конструкторов, на неиспользованные возможности приводов, а также на учет динамических эффектов, игнорирование которых - обычное явление в настоящее время [6].
Как отмечено в Большой советской энциклопедии, «практическая необходи-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Большая советская энциклопедия. В 30 т. Т.12. Кварнер - Конгур / гл. ред. А.М. Прохоров. - 3-е изд. -М.: Сов. энцикл., 1973. -623 с.
2. ГОСТ Р 55511-2013. Арматура трубопроводная. Электроприводы. Общие технические условия.
3. Гуревич, Д. Ф. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: справочник / Д. Ф. Гуревич, О.Н. Заринский [и др.]. -Л.: Машино-строение,1982. - 320 с.
4. Гарганеев, А. Г. Электропривод запорной арматуры: монография/ А.Г. Гарганеев, А. С. Кара-кулов, С. В. Ланграф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - 157 с.
5. Плахотникова, Е. В. Динамические нагрузки в электроприводной арматуре/Е. В. Плахотнико-
1. Large Soviet Encyclopedia in 30 Vol. Vol. 12. Kwarner - Kongur / Editor-in-Chief А.М. Prokho-rov. - 3-d Ed. -М.: Sov. Encycl., 1973. - pp. 623.
2. SARS 55511-2013. Pipeline Fittings. Electric Drives. General technical Conditions.
3. Gurevich, D.F., Pipeline Fittings with Automatic Control: Reference Book / D.F. Gurevich, O.N. Za-rinsky [et al.]: -L.: Mechanical Engineering,1982. -pp. 320.
4. Garganeev, A.G., Electric Drive of Stop Valve: Monograph / A.G. Karakulov, S.V. Langraf. -Tomsk: Publishing House TPU, 2013. - pp. 157.
5. Plakhotnikova, E.V., Dynamic Loads in Electric Drive Fittings / E.V. Plakhotnikova, Т. А.
Сведения об авторах:
Плахотникова Елена Владимировна, к.т.н., доцент кафедры «Инструментальные и метрологиче-
Plakhotnikova Elena Vladimirovna, Can.Eng., Assistant Prof. of the Dep. "Tool and Metrological Sys-
мость классификации стимулирует развитие теоретических аспектов науки и техники, а создание классификации дает качественный скачок в развитии знаний» [1].
Реализация в России приоритетной стратегии импортозамещения продукции требует именно качественного скачка. В отношении систем «электропривод - запорная арматура» желаемый скачок позволяет совершить предложенная в статье классификация, дающая возможность пересмотреть направления развития технических систем указанного типа.
ва,Т. А. Елисеева // Трубопроводная арматура и оборудование. - 2012. - № 5 (62). - С. 72-75.
6. Плахотникова, Е. В. Закон совместимости как базовый элемент повышения качества систем «электропривод - запорная арматура» на пути к импортозамещению/ Е. В. Плахотникова, В. Б. Протасьев// Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - 2015.-№ 1 (309).- С. 113-121.
7. Шпаков, О.Н. О расчете нагрузок в электроприводной арматуре / О.Н. Шпаков // Арматуро-строение. -2005.-№ 5 (37). - С. 48-51.
Eliseyeva // Pipeline Fittings and Equipment. -2012. - № 5 (62). - pp. 72-75.
6. Plakhotnikova, E.V., Compatibility law as basic element for quality increase of "Electric Drive-Stop Valve" systems for Import Substitution / Е. V. Plakhotnikova, V.B. Protasiev // Bulletin of Orel State Technical University. Series "Fundamental and Applied Problems of Technics and Technology" 15.-№ 1 (309).- pp. . 113-121.
7. Shpakov, O.N., On computation of loads in electric drive fittings, O.N. Shpakov // Armature Engineering. -2005.-№ 5 (37). - pp. 48-51.
Статья поступила в редколлегию 27.10.15.
Рецензент: д.т.н., профессор Тульского государственного университета
Борискин О.И.
ские системы» Тульского государственного университета, e-mail: e [email protected].
tems" Tula State University, e-mail:
