CC BY
34
УДК 621.646
C.JI. Самсонович, д-р техн. наук, проф., (910) 414-07-26, [email protected] (Россия, Москва, МАИ),
B.C. Степанов, канд. техн. наук, (916) 280-27-21, [email protected] (Россия, Москва, МАИ),
Н.В. Красковский, асп., [email protected] (Россия, Москва, МАИ)
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО СИЛОВОГО МИНИПРИВОДА РЕГУЛИРУЕМОЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ В МОДУЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ
Обоснована возможность построения электромеханического силового мини-привода запорной арматуры из четырех модулей. Показаны преимущества такого построения, позволяющего для нового поколения приводов унифгщироватъ элементную базу, сократить стоимость изготовления и улучшить удельную мощность привода.
Ключевые слова: регулируемая запорная арматура, силовой минипривод, электрический привод, волновые передачи с телами качения, минимизация массогабарит-ных показателей.
Развитие техники и технологий в различных отраслях промышленности особенно таких, как авиационная, газовая и нефтяная, обусловливает разработку электрических приводов нового поколения.
В настоящее время в нефтяной и газовой промышленности широко используются различные типы регулируемой запорной арматуры, отличающиеся характером движения запирающего звена: поступательным в задвижках, многооборотным в запорных вентилях и неполноповоротным в заслонках и шаровых кранах.
Для каждого типа запорной арматуры используются различные виды электромеханических приводов. Приводы отличаются значениями развиваемого момента, диапазоном скоростей и углов поворота при одинаковой потребляемой мощности.
Приводы запорной арматуры используют червячные, спироидные или планетарные передачи. Общими недостатками этих электромеханических приводов является небольшая удельная мощность (порядка 0,010,04 кВт/кг) и низкий КПД (порядка 0,7 - 0,8), которые ухудшаются с увеличением скорости электродвигателя и, как следствие, ростом передаточного отношения редуктора [1]. Сложность кинематической цепи: разнообразие расположений осей электродвигателя, штурвала ручного привода-дублера и выходного вала редуктора - не позволяют унифицировать электроприводы, что требует дополнительных затрат на их изготовление и сервисное обслуживание при эксплуатации.
Кроме того, пространственное расположение осей электродвигателя, штурвала ручного дублера и оси запорной арматуры усложняет балансировку масс элементов привода при конструировании. Дисбаланс конст-
10
Российские электроприводы трубопроводной арматуры.
_Разработка, испытания и эксплуатация_
рукции может послужить причиной возникновения вибрации из-за несовмещения центра массы привода с осью арматуры.
Одним из путей устранения указанных недостатков и уменьшения стоимости изготовления привода является соосное расположение электродвигателя и штурвала ручного дублера с осью запорной арматуры, а также построение привода в модульном исполнении.
Новые разрабатываемые электромеханические приводы по сравнению с существующими должны обладать лучшими массогабаритны-ми показателями, повышенным КПД, малым люфтом и высокой жесткостью, простотой изготовления и малой стоимостью, быть конкурентоспособными на отечественных и зарубежных рынках [1, 2,
3].
Построенная по принципу силового минипривода модель МАИ-702 [1, 3], обладает меньшей массой (см. табл. 7 [1]), возможностью регулирования частоты и момента на выходном звене и позволяет сократить типоразмерный ряд при серийном изготовлении по сравнению с существующими электромеханическими приводами арматуры (табл. 9 [1]).
Для построения электромеханического привода с соосным расположением электрического двигателя и ручного дублера разработана функциональная схема привода регулируемой запорной арматуры, ко-
торая приведена на рис. 1.
РД У
Ш в - Дв ^ Пр. ВПсТК ^МС ^ом > Сил. ВПсТК р ОР
■ДТ -
ДПР - ППГ~\ Г)
Д1 юн -
Рис. 1. Функциональная схема электромеханического привода регулируемой запорной арматуры: В - вычислитель, Дв - двигатель,
ДТ - датчик тока, ДПР - датчик положения ротора двигателя, Пр. ВПсТК - промежуточная волновая передача с телами качения, МС - муфта сцепления, РД - ручной дублер, ОМ - обгонная муфта, Сил. ВПсТК - силовая волновая передача с телами качения, ОР - объект регулирования, ДПОР - датчик положения объекта регулирования
С учетом того, что моменты двигателя, существенно меньше моментов, создаваемых человеком на валу ручного дублера, редуктор со-
стоит из двух ступеней: выходной и промежуточной. Выходная (силовая) ступень предназначена для согласования момента на валу штурвала ручного дублера и момента на выходном валу привода. Промежуточная ступень предназначена для согласования моментов и угловых скоростей вращения двигателя с моментом и угловой скоростью вращения входного вала выходной ступени редуктора.
Наличие ручного дублёра приводит к необходимости исключения взаимовлияния с электроприводом. Как правило, эта функция достигается использованием самотормозящей передачи, включением дифференциального механизма или введением дополнительного механизма, включающего или отключающего вал штурвала ручного привода от редуктора электропривода. Таким механизмом может являться электромагнитная муфта сцепления.
При отсутствии напряжения питания на электромагнитной муфте сцепления под действием силы пружины подвижный якорь сцепляется с валом штурвала ручного дублера и движение передается от штурвала на силовую ступень редуктора и далее на выходной вал. При подаче напряжения питания на электромагнитную муфту сцепления входной вал силовой ступени редуктора расцепляется от вала ручного дублера и сцепляется с выходным валом промежуточной ступени редуктора.
Для исключения действия потока рабочего тела в запорной арматуре на ручной штурвал использована муфта однонаправленного действия - обгонная муфта. Она служит для односторонней передачи вращения от двигателя или штурвала к выходному валу. При наличии момента на выходном валу и отсутствии сигнала на двигателе обгонная муфта заклинивает и не позволяет провернуться выходному валу.
Концепция построения системы электропривода регулируемой запорной арматуры по принципу силового минипривода предполагает использование бескорпусного электродвигателя с датчиками положения ротора и тока совместно с волновой передачей с телами качения так, что они располагаются соосно и выходное звено волновой передачи выполняет функцию опорного устройства объекта управления или одного из его подшипников.
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 волновой передачи с телами качения и опорного устройства объекта управления (рис. 2) [4, 5].
Рис. 2. Конструктивная схема волновой передачи с телами качения, в которой выходным звеном является жесткое колесо: 1 - волнообразователь, 2 - сепаратор, 3 - тела качения,
4 - жесткое колесо
Функционально кинематическую схему электромеханического привода запорной арматуры, построенного по принципу силового миниприво-да, можно представить в виде четырех модулей (рис. 3).
В первый модуль входит бескорпусный бесколлекторный электродвигатель с датчиками тока и положения ротора. Во второй модуль входит промежуточная ступень редуктора, выполненная на основе волновой передачи с телами качения по схеме, в которой выходным звеном является сепаратор, а жесткое колесо неподвижно. В третий модуль входят штурвал ручного дублера и электромеханическая муфта сцепления. В четвертый модуль входят обгонная муфта и силовая волновая передача с телами качения, в которой выходным звеном является жесткое колесо, а сепаратор неподвижен.
Каждый модуль имеет свой корпус, при этом корпуса сопрягаемых модулей, а также их выходные и входные звенья снабжены стыкующими элементами.
Рис. 3. Кинематическая схема электромеханического силового минипривода в модульном исполнении: 1 - бескорпусный электродвигатель, 2- промежуточная волновая передача с телами качения, 3 - электромагнитная муфта сцепления, 4- штурвал ручного дублера, 5— обгонная муфта, 6 - силовая волновая передача с телами качения
Габаритные размеры исполнительного механизма привода, построенного по модульному принципу, зависят от выбранных размеров силовой ступени волновой передачи с телами качения. Наружный диаметр £>н и длина Ь волновой передачи с телами качения определяются по формулам [4]
2,06 _ .Л 24 \М
В
н
8111
+ 1,8
1
н
' я ^
крп(д-1)
эш
<7-1
¿ = (1,2* + 1,8).З|24ЬМН
' я ^
-1)
вш
1
где Мя - максимальный момент нагрузки на выходном валу, п - число рядов тел качения, д - передаточное число волновой передачи с телами качения, кр - коэффициент нагрузочной способности тел качения (для шариков = 1, для роликов к^ = 1,6...2).
Использование высокоскоростных двигателей при невысоких скоростях объекта управления приводит к большому передаточному числу
редуктора. Габаритные размеры волновой передачи при постоянном моменте зависят от передаточного числа и числа рядов тел качения. В качестве примера использованы требования к электромеханическому приводу, в котором номинальный развиваемый момент равен 580 Нм. Графические зависимости наружного диаметра и длины волновой передачи при моменте нагрузки 580 Нм представлены на рис. 4.
Dh, мм
130
120
110
100
90
80
70
60
50
10
20
30
40
50
п= =8 п=6 п=4 п= 3
■ ■
60
70
80
L, мм
200
180-
160-
140120-
100-
8060-
40-
20-
j п= =8 n=6 n=4 n= =3
i i i i
10
20
30
40
50
60
а
б
70
80
Рис. 4. Графики зависимости наружного диаметра (а) и длины волновой передачи с телами качения (б) от передаточного числа
Как следует из приведенных графиков, наружный диаметр волновой передачи при постоянном моменте имеет минимум. На этом основании передаточное число силовой ступени волновой передачи следует выбирать из условия достижения наименьшего диаметра четвертым модулем. Для момента 580 Нм наименьший диаметр имеет место при передаточном числе волновой передачи выходного модуля двых = 8.. .12 и тем меньше, чем
больше число рядов тел качения.
Передаточное число промежуточной волновой передачи второго модуля следует выбирать из условия
я ъ
я пр =-,
д вых
где япр - передаточное число промежуточной волновой передачи, д ъ -
общее передаточное число, определяемое отношением скорости электродвигателя и скорости перемещения выходного звена запорной арматуры.
Модульное построение электромеханического привода позволяет, при выбранном наименьшем наружном диаметре, увеличивать момент путем добавления числа рядов тел качения и изменять скорость выходного вала, путем замены жесткого колеса и сепаратора, отличающихся числом тел качения.
Зависимость максимального момента Ын (в Нм) от числа рядов тел качения п при постоянном передаточном числе q и диаметре тел качения приведена в таблице.
Зависимость момента на выходном звене от числа рядов тел качения и передаточного числа силовой волновой передачи
Передаточное число Число рядов тел качения
2 3 4 6 8
30 279 418 557 835 1113
40 503 755 1006 1509 2012
50 794 1191 1587 2387 3174
Следует отметить, что крутящий момент волновой передачи передается половиной тел качения, поэтому при увеличении числа тел качения и неизменном моменте на выходном валу диаметр шариков (роликов) может быть уменьшен [4].
При уменьшении диаметра тел качения диаметр волнообразователя в некотором диапазоне передаточных чисел может быть постоянен и при изменении передаточного числа в передаче его можно не менять.
Проведенные исследования модульного построения электромеханического силового минипривода регулируемой запорной арматуры позволяют сделать вывод о перспективности этого направления.
Предлагаемое модульное построение электромеханического силового минипривода позволяет унифицировать элементную базу и существенно сократить стоимость производства путем использования одних и тех же модулей в различной комплектации. Например, для увеличения развиваемого момента при той же частоте вращения можно использовать первый модуль с электродвигателем большей мощности и большего диаметра, или два первых модуля с начальным диаметром и увеличить число рядов тел качения в волновых передачах второго и четвертого модулей при том же начальном диаметре. При желании получить на выходном валу ту же мощность за счет увеличения момента и уменьшения частоты вращения, сохраняя первый, второй и третий модули, достаточно только изменить передаточное число, заменив жесткое колесо и сепаратор с телами качения в четвертом модуле.
Как показала конструктивная проработка электромеханического силового минипривода с моментом 580 Нм, содержащим модули с одним бескорпусным электродвигателем, волновые передачи с двумя рядами тел качения в промежуточном и выходном модулях имеет удельную мощность порядка 0,06-0,07 кВт/кг.
Список литературы
1. Малютин Д.М. Сравнение основных характеристик многооборотных электроприводов трубопроводной арматуры разработки Тульского государственного университета с характеристиками отечественных и зарубежных аналогов. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5: в 3 ч. 4.2 / под науч. ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 41-60.
2. Тер-Матеосянц И.Т. Обзор российского рынка электроприводов за 2010 год. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5: в 3 ч. 4.2 / под научной ред. В.Я. Распопова Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 3-8.
3. Концепция построения системы электропривода запорной арматуры по принципу силового минипривода / С. JT. Самсонович [и др.] // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5: в 3 ч. 4.2 / под научной ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 83-90.
4. Геращенко А.И., Постников В.А., Самсонович C.J1. 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.
5. Силовой минипривод: пат. РФ № 2281597. Опубл. Бюл. №22 за 2006г.
S.Samsonovich, V.Stepanov, N.Kraskovsky.
THE POSSIBILITY OF CONSTRUCTING ELECTROMECHANICAL POWER ADJUSTABLE MINI-DRIVE STOP VALVES IN MODULAR DESIGN.
A possibility of the construction of the electromechanical power minidrive valves offour modules. Shows the advantages of such a system, which allows for a new generation of drives unify element base, reduce manufacturing costs and improve the power density of the drive.
Key words: pipe line valves, power mini-drive, electric drive, harmonic gear with rolling bodies, weight and dimensions minimization.
Получено 3.12.12
