CC BY
67
2. 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.
3. Иосилевич Г.Б. Детали машин: учебник. М.: Машиностроение, 1988. 367 с.
M.V. Gryazev, A.V. Dnitriev, V.D. Kukhar, A.A. Pashm, V.Ya. Raspopov, P.G. Sidorov
A MULTILINE GEAR ELECTRIC DRIVE OF PIPELINE FITTINGS
The new kinematic scheme of the multiturnaround electric drive of pipeline fittings transport based on the multiline gearings is presented. The base design and advantages of a multiline drive in comparison with serial samples is proved.
Key words: pipeline fittings, electric drive, pipeline transport, planetary gear, multiline transmission, gear.
Получено 18.10.11
УДК 621.646
С.Л. Самсонович, д-р техн. наук, проф., (910) 414-07-26,
В.С. Степанов, канд. техн. наук, (916) 280-27-21, stevilen@mail.ru,
Н.В. Красковский, асп., nikolayxx@gmail.com,
Я.Р. Кадыров, асп., (962) 923-74-88, yankadyrov@yandex.ru
(Россия, Москва, МАИ)
КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РЕГУЛИРУЕМОЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ ПО ПРИНЦИПУ СИЛОВОГО МИНИПРИВОДА
Рассматривается выбор основных элементов и построение системы электропривода регулируемой запорной арматуры с точки зрения минимизации габаритов.
Ключевые слова: регулируемая запорная арматура, силовой минипривод, электрический привод, волновые передачи с телами качения, минимизация массогабарит-ных показателей.
Основными направлениями развития различных автоматических систем управления с электроприводом, в том числе и автоматических систем регулируемой запорной арматуры, является уменьшение массогаба-ритных показателей, повышение надёжности и долговечности, уменьшение стоимости изготовления и обслуживания.
Общецелевые задачи достигаются в системе электропривода за счёт внедрения:
- микропроцессорной техники для управления и контроля;
- бескорпусных бесколлекторных электродвигателей с датчиками положения ротора и тока;
- механических передач с телами качения;
- модульного построения кинематических и конструктивных схем.
Кроме общецелевых задач, к каждой системе электроприводов
предъявляются специфичные требования, зависящие от области применения и характеристик объекта регулирования.
Рассмотрим подробнее концепцию построения системы электропривода регулируемой запорной арматуры, отвечающую этим задачам.
Использование микропроцессорной техники позволяет построить интеллектуальную систему, обеспечивающую:
- перемещение выходного звена в любом направлении с требуемой точностью за счет непосредственного управления напряжением обмоток бесколлекторного двигателя;
- отключение электродвигателя при достижении выходного звена привода крайнего положения «закрыто» или «открыто» по сигналам датчиков положения и/или тока двигателя;
- непрерывный контроль с сигнализацией о положении выходного звена на дисплее, расположенном непосредственно на арматуре и на дистанционном пульте управления.
Применение бескорпусного электродвигателя позволяет сократить массогабаритные показатели привода за счёт возможности использования внутреннего объёма ротора двигателя и разместить в одном общем корпусе необходимые датчик положения, скорости и тока, а также механические передачи. Следует отметить, что использование бескорпусного электродвигателя несколько ухудшает ремонтопригодность, исключая возможность простой замены электродвигателя.
Общая тенденция развития механических передач, используемых в системах электроприводов, заключается в применении передач с многопоточным или многопарным зацеплением, имеющих меньшие массогаба-ритные показатели, высокую кинематическую точность и КПД.
К многопоточным передачам относятся различные планетарные механизмы, у которых силовой поток разделяется на параллельные потоки, количество которых определяется числом сателлитов.
К многопарным передачам относятся винтовые, червячные и волновые передачи. У этих передач момент передаётся одновременно несколькими парами витков или зубьев. Такая особенность зацепления обуславливает высокую кинематическую точность, плавность и практическое отсутствие люфта.
Основными недостатками зубчатых передач является относительно низкий КПД. Поэтому одним из направлений в развитии механических передач является разработка механизма, у которых передача момента осуществляется телами качения (вместо зубьев) - шариками и роликами.
В настоящее время разработаны шариковые и роликовые винтовые передачи, реечные, шариковые, червячные, планетарные и волновые передачи с телами качения.
Многие из перечисленных передач, в связи с рядом обстоятельств, не являются пока широко известными и не нашли применения в арматуро-строении.
Остановимся подробнее на волновых передачах с телами качения. Волновые передача представляет собой трехзвенный механизм (рис. 1), состоящий из входного звена - волнообразователя 1, сепаратора 2, в отверстиях которого размещаются тела качения 3 (шарики или ролики) и жёсткого колеса 4 с профилированным зубчатым венцом. При остановленном сепараторе жёсткое колесо будет вращаться в ту же сторону, что и волно-образователь, при выходном звене сепараторе и остановленном жёстком колесе сепаратор будет вращаться в противоположную сторону. При передаче вращения от волнообразователя и сепаратора волновая передача работает как дифференциальный механизм.
Рис. 1. Волновая передача с телами качения
Передаточное число этих передач определяется аналогично зубчатым волновым передачам:
с _гж
дв-ж
и
Чв-с _ 1 — Чв-ж _ 1 ,
и
где д^ж - передаточное число волновой передачи с телами качения от волнообразователя к жёсткому колесу при неподвижном сепараторе;
Чжс - передаточное число волновой передачи с телами качения от волно-
85
образователя к сепаратору при неподвижном жёстком колесе; zж - число впадин или выступов профиля жесткого колеса; u - число волн, создаваемых волнообразователем.
Число тел качения в волновой передаче, по аналогии с количеством толкателей в реверсивных кулачковых механизмах, должно быть не менее трех в одном ряду. При наличии только трёх тел качения функционирование передачи не изменяется, если тела качения расположены равномерно по окружности.
Использование трёх тел качения сохраняет устойчивое соосное положение жёсткого колеса относительно волнообразователя, однако, приводит к уменьшению нагрузочной способности передачи в целом. Поэтому число тел качения выбирается максимально возможное, так как при этом обеспечиваются минимальные габариты при максимальной нагрузочной способности. На этом же основании передаточное число волновой передачи следует выбирать не менее 4.
Использование высокоскоростных двигателей при невысоких скоростях объекта управления обуславливает необходимость большого передаточного числа редуктора. Сравнительный анализ габаритов передачи от передаточного числа представлен на рис. 2, где ЦП - зубчатая цилиндрическая передача, ЧП - червячная передача, П1, П2, П3, П4 - планетарные передачи, ШВП+РМ - шариковинтовая передача с рычажным механизмом, Орб.-план - орбитально-планетарная передача, ВП - зубчатая волновая передача, ВПШ - волновая передача с телами качения - шариками [1].
Оценка габаритов механических передач была выполнена при следующих допущениях.
1. КПД передач равен единице. Такое допущение приводит к необходимости увеличения коэффициента запаса по расчётной нагрузке.
2. В качестве материала, из которого изготовлены элементы передачи, принят один материал - широко распространенная в промышленности легированная сталь с термообработкой в виде цементации с закалкой до ИЯС = 30±5. Для такого материала предел выносливости [а-1] = 400...600 МПа. Принято для выходных пар [а-1] = 400 МПа, а для промежуточных [а-1] = 500 МПа.
3. Учет прочности зубьев определяется модулем зацепления, который для предварительных расчетов габаритных размеров зубчатых передач выражается упрощенными зависимостями: для выходной пары
m > 3
Mн -103
для промежуточной m > 3
Mн -103
5002к
400zк - " ' "V
Таким образом, в однопарных цилиндрических передачах, а также в многопарных планетарных передачах объём, занимаемый передачами,
возрастает с увеличением передаточного числа. Это объясняется тем, что увеличение передаточного числа достигается повышением отношения числа зубьев и, следовательно, приводит к увеличению диаметра ведомого колеса по отношению к ведущему.
Г /Мн, мм3/(НхМ)
Рис. 2. Зависимость объёмов различных типов механических передач
от передаточного числа
В многопарных зубчатых передачах - волновых, планетарных, орбитальных, червячных, винтовых и шариковинтовых - габариты не зависят от передаточного числа в некотором рассматриваемом диапазоне. В волновых передачах на них влияет диаметр гибкого колеса; в планетарно-орбитальных - делительный диаметр сателлита; в винтовых - средний диаметр резьбы; в червячных - межосевое расстояние; в шариковинто-вых - диаметр шарика.
В волновых передачах с телами качения габариты зависят как от диаметра тел качения, так и от их числа. Так как число тел качения определяется передаточным числом и с увеличением передаточного числа их число увеличивается, для передачи того же момента при постоянном диаметре сепаратора диаметр тел качения соответственно уменьшается, что приводит к уменьшению габаритов.
Особенность волновых передач с телами качения заключается в том, что при использовании схемы с остановленным сепаратором жёсткое колесо опирается на тела качения, равномерно расположенные по периметру, и может выполнять функцию наружной обоймы подшипника опорного устройства объекта управления. Это позволяет существенно сократить габариты приводных систем, в которых одни и те же детали расположены соосно и совмещают в себе функции деталей двигателя, волновой передачи с телами качения и опорного устройства объекта управления, Подобные механизмы предложено называть силовыми миниприводами [1, 2].
Концепция построения системы электропривода регулируемой запорной арматуры по принципу силового минипривода предлагает использование бескорпусного электродвигателя с датчиками положения ротора и тока, совместно с волновой передачей с телами качения так, что они располагаются соосно и выходное звено выполняет функцию опорного устройства объекта управления или его подшипника.
К специфичным требованиям к регулируемой запорной арматуре можно отнести наличие ручного дублёра и обеспечение режима дожатия запорного органа.
Наличие ручного дублёра обуславливает необходимость исключения взаимовлияния с электроприводом. Как правило, эта функция достигается введением дополнительного органа управления, включающего или отключающего вал штурвала ручного привода от кинематики редуктора электропривода, или введением дифференциального механизма. Использование дополнительного ручного органа управления, с одной стороны, упрощает общую кинематическую схему, с другой - обуславливает отказы, связанные с ошибками действия оператора.
Так как волновую передачу можно использовать как дифференциальный механизм, то для такого использования необходимо добавить механизмы однонаправленного действия, который позволит передавать движение от ручного штурвала на сепаратор и не передавать движение от двигателя на ручной штурвал. При этом ручной штурвал предлагается по возможности установить соосно с выходным звеном.
Между штурвалом и вторым входом дифференциала - сепаратором силовой волновой передачи - устанавливается согласующая передача, обеспечивающая работу привода от момента, развиваемого на штурвале человеком-оператором. В качестве такой передачи целесообразно так же использовать волновую передачу с телами качения.
Наличие режима дожатия запорного органа, наиболее характерного для клиновых задвижек, обусловлено устранением утечки рабочего тела путём создания малого зазора и отсутствием большого трения между задвижкой и седлом. Эта функция достигается, как правило, алгоритмами управления по информации от концевых выключателей или алгоритма на
основе информации с датчиков положения выходного звена, ротора и тока в двигателе, который пропорционален развиваемому моменту или усилию на задвижке.
Режим дожатия может быть совсем устранен, если увеличить зазор между задвижкой и седлом, а герметизацию запорной арматуры осуществить путём создания усилия уплотнения за счёт прижатия задвижки к седлу, используя материалы с памятью и элементы Пельтье, или Frost Guard кабель, предназначенный для защиты труб от замерзания.
Элементы Пельтье представляют собой пару или пакет полупроводниковых пластин. Под действием тока одна пластина нагревается, другая охлаждается. При обращении направления тока процесс изменения температуры меняется, что позволяет осуществлять термостатирование. В батарее элементов Пельтье возможно достижение большой разницы температур.
На основании изложенного предлагается функциональная схема для системы электропривода регулируемой запорной арматуры (рис. 3), где ЦИ - цифровой индикатор, ШРП - штурвал ручного привода, СП - согласующая передача ручного привода, МС - муфта самотормозящая, В - вычислитель, Дв - электродвигатель, ДПР - датчик положения ротора двигателя, ДТ - датчик тока (момента), ВПТК - силовая волновая передача с телами качения, ОР - объект регулирования, ДПОР - датчик положения объекта регулирования, ЭлП - элементы Пельтье, ГУПФ - герметизирующее устройство на основе материала с памятью формы.
ЦИ
В
ШРП СП МС
1 г
Дв ДПР ВПТК•
ОР
ДПОР
ДТ
ЭлП
ГУПФ
/////////
Рис. 3. Функциональная схема системы электропривода регулируемой запорной арматуры
Для использования однотипной системы электропривода для различной запорной регулируемой арматуры, различающейся значением раз-
89
виваемых моментов и скоростей, предполагается выполнить волновую передачу в виде набора модулей с одинаковыми посадочными размерами волнообразователя и жёсткого колеса. Жесткие колеса отличаются числом впадин. Такое конструктивное исполнение позволяет реализовать разные передаточные числа при наличии трёх пар колёс и разные моменты при одинаковых скоростях за счёт увеличения числа пар этих колёс.
В заключение отметим основные результаты работы.
1. Предложена концепция построения системы электропривода регулируемой запорной арматуры по принципу силового минипривода, позволяющая реализовать конструкцию с большим диапазоном моментов и скоростей при минимальных габаритах. Концепция заключается в выборе основных элементов: бескорпусного электродвигателя, волновой передачи с телами качения и датчика положения, расположении их соосно по модульному принципу, так, чтобы выходное звено привода выполняло функцию опорного устройства объекта управления либо одного из его подшипников.
2. Предложена автономная система герметизации запорного органа регулируемой арматуры на основе материала с памятью формы и элементов Пельтье.
Список литературы
1. Геращенко А.Н., Постников В.А., Самсонович С.Л. Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: учебник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во «МАИ-ПРИНТ», 2010.
2. Силовой минипривод: пат 2281597 Рос. Федерация. Бюл. №22.
S.L. Samsonovich, V.S. Stepanov, J. P. Kadyrov, N.V. Kraskovsky
THE CONCEPT ОF PIPE LINE VALVES ELECTRIC DRIVES CONSTRUCTED ON POWER MINI-DRIVE PRINCIPLES
The choice of basic elements and construction оf pipe line valves electric drives is considered.
Key words: pipe line valves, power mini-drive, electric drive, harmonic gear with rolling bodies, weight and dimensions minimization.
Получено 18.10.11
