CC BY
39
Российские электроприводы трубопроводной арматуры. _Разработка, испытания и эксплуатация_
УДК 621.833
П.Г. Сидоров, д-р техн. наук, проф., зав. каф., (4872) 33-23-80, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ОБСУЖДАЕТСЯ РЕЦЕНЗИЯ
Д-РА ТЕХН. НАУК, ПРОФ. МОЗЖЕЧКОВА В.А.
НА СТАТЬЮ «МНОГООБОРОТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРОЙ» [1]
Рассмотрены главные отличительные инновационные признаки многопоточных зубчатых передач в сравнении с планетарными передачами в многосателлитном исполнении и обоснована исключительная целесообразность их применения в структуре современной редукторной приводной техники.
Ключевые слова: электропривод, многопоточная трансмиссия, зубчатое колесо, водило, сателлит, планетарный зубчатый механизм, шпиндель, трубопроводный транспорт, габаритный ряд, клиновая задвижка.
Начнем с ответов на вопросы, поставленные рецензентом, и первый из них: «Какие цели преследовали разработчики при создании новой конструкции многооборотного электропривода (МЭП) для запорной арматуры с выдвижным шпинделем?» Вопрос правильный и закономерный, так как из опубликованных материалов [2] многое неясно и прямого ответа не следует.
Прежде всего заметим, что современный редукторный МЭП как самостоятельное техническое решение - это сложная многомерная динамическая система (рис. 1) с комплексом взаимосвязанных структурных, электрических, электромагнитных, энергетических, силовых, кинематических, геометрических, жесткостных и инерционных параметров [3], которые могут быть как постоянными, так и переменными величинами. И отрадно, что эта сложная система легко разделяется на две подсистемы [3]: основную электромеханическую (мотор - редуктор), которая создает мощ-ностной поток с требуемыми параметрами по скорости и моменту, и вспомогательную электронно-механическую (блок датчиков, приборов и аппаратуры), которая должна легко адаптироваться к основной и управлять этим мощностным потоком, мониторингом за его основными выходными параметрами, регистрацией и визуализацией их изменения с изменением положения выходного звена, а также надежно диагностировать и защищать привод в целом в условиях ординарной и неординарной его эксплуатации.
Таким образом, с учетом названия рецензируемой работы [2] в статье анализируется, в основном, новая в науке и технике электромеханическая подсистема МЭП с многопарным контактом зубьев в рабочих зацеплениях при асинфазных движениях в его параллельных кинематических потоках
[4, 5].
Рис. 1. Структурно-кинематическая схема редукторного электропривода запорной арматуры с выдвижным шпинделем: a 1, a 2, & и, & 2г, Ь 1, Ь 2 - зубчатые звенья редуктора; h - трёхщёковое водило;
ю дв =®а12, Ю, юЬ2 - угловые скорости ротора электродвигателя и основных подвижных звеньев редуктора; тдв, ТЬ2 = -Тзо - движущие
моменты и момент сил сопротивления на задвижке; □ Ь х Ь - форма и размеры присоединительного фланца
Создать такую электромеханическую подсистему в структуре редукторного МЭП стало возможным благодаря появлению в машиноведении новой разновидности зубчатых механизмов - двухступенчатых многопоточных квазидифференциальных передач типа "3к - 2& - к" [3] с входом на малом центральном колесе с внешними зубьями и выходом на большом с внутренними зубьями, а также разработке в ТулГУ современного инструментария на методологию их геометрического синтеза и проектирования
[5].
Для анализа и синтеза неделимых двухступенчатых рычажно-зубчатых механизмов "3к - 2& - к" нужно твердо знать основные законо-
Российские электроприводы трубопроводной арматуры.
_Разработка, испытания и эксплуатация_
мерности их функционирования1, а главное - отличительные признаки в структуре редукторных электроприводов и различных машин, где они выполняют функцию передаточных механизмов (см. рис. 1) [5, 6] и гарантируют разработчикам:
- минимум или полное отсутствие избыточных связей в структуре при нечувствительности к точности изготовления, монтажа и упругим деформациям звеньев при работе;
- многопоточный подвод механической энергии от источников к потребителям короткими энерго- и ресурсосберегающими малонагруженны-ми параллельными кинематическими цепями с оптимальной разбивкой передаточного числа;
- простоту форм, технологичность и глубокую унификацию деталей (до 80 %);
- многовариантное исполнение в одном неизменном габарите корпуса и водила (до 10 вариантов с разными выходными параметрами по скорости и моменту);
- «абсолютную» (по акад. В.П. Глушко) триботехническую и прочностную надежность, при которой максимальные действующие напряжения во всех звеньях привода всегда ниже допускаемых для материалов, из которых они изготовлены;
- наперед заданный ресурс работы и оптимальные габаритно-массовые параметры (удельная масса может быть снижена до qм = 0,01 ...0,03 кг/(Н • м) и меньше при сохранении высокого КПД в редукторе);
- кратное резервирование нагрузочного момента в приводе;
- применение мелкомодульных зубчатых колес со значительно увеличенным числом зубьев всех зубчатых звеньев и сохранении триботехни-ческой и прочностной надежности с одновременным расширением диапазона изменения передаточных чисел (0,^ < uр < zfr , где zfr - число
зубьев выходного центрального колеса с внутренними зубьями, 150 < zb2 < 250);
- равенство сумм чисел зубьев центральных колес в двух планетарных ступенях и, как следствие, постоянные равные рациональные углы зацепления из диапазона 20° < а^ < 30° во всех рабочих зацеплениях при полном исключении интерференций всех видов и сохранении высоких коэффициентов перекрытия (1,75 <Ба< 1,95);
- коаксиальное (и не только) расположение входа и выхода редуктора с осью вращения вала ротора электродвигателя и осью перемещения
1 Из материалов статьи [3] трудно видеть эти закономерности и отличия даже специалистам по многопоточным передачам
шпинделя задвижки с возможностью изготовления валов полыми для свободного размещения шпинделя;
- другие новые качественные возможности по размещению ручного дублера, датчиков и приборов управления приводом, которые в целом недосягаемы для всех видов известных силовых трансмиссий и, в первую очередь, червячных из-за ее монопоточности и высоких удельных массы (qм, кг/(Н • м)) и цены (qц, руб/(Н • м)) - двух важных показателей
конкурентоспособности изделия на рынке по проф. Г.А. Снесареву.
Все вышесказанное, во-первых, снимает практически все названные замечания рецензента: по удорожанию и снижению надежности МЭП, отсутствию герметизации объема редуктора и возможности применения жидких и полужидких смазок в нём; несуществующему «переутяжелению» МЭП при реализации его многовариантной компоновки по скорости и моменту в одном неизменном габарите корпуса и водила за счет взаимозаменяемых зубчатых звеньев быстроходной ступени, которое идёт вразрез с его реальной удельной массой (qм = 0,01 ...0,03 кг/(Н • м)). Во-вторых, в рамках поставленной в договоре
цели, удалось впервые сформулировать новую концепцию построения МЭП для трубопроводной арматуры с выдвижным шпинделем: «Группе задвижек с разными диаметрами DN транспортной трубы и давления в ней Р^ но с одинаковыми формой (АК, Б, В, Г или Д) и размерами присоединительного фланца ( □ d х d, мм) и разными вариантами параметров момента сопротивления и скорости на резьбовой гайке - один универсальный унифицированный многопоточный электропривод с многовариантными дискретно изменяемыми кинематическими связями в одном габарите [7, 8]».
Заметим, что до настоящего времени в арматуростроении приводная техника создавалась, в основном, на хорошо отработанном принципе: «Каждой приводной задвижке - свой автономный вариант привода с постоянными кинематическими (и не только) связями между входом и выходом». Отсюда большое разнообразие конструкций автономных электроприводов в отрасли (до 300). Кстати, причина такого разнообразия конструкций лежит в широком использовании в мировом арматуро-строении МЭП червячного типа, в защиту которых выступает рецензент и которые исчерпали свои возможности как техническое решение, полностью не позволяющее решить проблему универсализации и унификации МЭП в современных условиях.
При такой постановке проблемы очевидно, что предлагаемый разработчиками МЭП не имеет в настоящее время в век мехатроники альтернативы и закономерно претендует на широкое внедрение в производство, что и подтверждают его заводские испытания [2]. Главный недостаток всех известных технических решений, серийно реализуемых
Российские электроприводы трубопроводной арматуры.
_Разработка, испытания и эксплуатация_
в мировом производстве, состоит в том, что в погоне за конкурентными показателями технического уровня изделия (удельной массой и удельной ценой) многие фирмы-производители произвольно завышают реальные контактные напряжения в рабочих зацеплениях привода до 1500...2500 МПа (в частности, червячного типа) и работают в условиях, когда высока опасность малоцикловых внезапных усталостных поломок зубьев, что абсолютно недопустимо по соображениям безопасности для трубопроводных магистралей, особенно после событий Чернобыля (СССР) и Фукусимы (Япония).
Именно поэтому разработчики отводят исключительное место новой многопоточной квазидифференциальной силовой трансмиссии с многопарными выпукло-вогнутыми контактами зубьев в высших цен-троидных кинематических парах и асинфазными движениями в энерго-и ресурсосберегающих потоках. Не скроем, что проектирование таких передач требует от разработчиков знаний и соответствующей квалификации по теории и методологии расчетов [4]. Уместно привести здесь слова знаменитого механика А. Эйнштейна: «Нельзя решить любую проблему на уровне технических знаний, на которых она возникла».
Теперь следует вернуться к другим замечаниям рецензента. Обращает на себя внимание обязательное требование о наличии самоторможения в электроприводах запорной арматуры, содержащееся по замечанию рецензента в нормативных документах предпреятий, эксплуатирующих и изготавливающих арматуру. Цитируем: «Планетарный тип редуктора и его высокий КПД свидетельствуют об отсутствии в приводе такого важного свойства как самоторможение и т.д. по тексту». Самотормозящийся привод - это статическая равновесная система, закрепленная на стойке, которая может быть плоской или пространственной фермой с пятью классами кинематических пар в структуре.
По-видимому, рецензент, говоря о самоторможении, имеет в виду эффект односторонней вентильной проводимости мощности со входа на выход, свойственный некоторым приводам, в том числе и червячного типа, в которых нельзя менять местами их вход и выход. Например, в червячном приводе чаще всего входным звеном является червяк (одно-двух- или четырехзаходный), а выходным - червячное колесо, а не наоборот (хотя при больших углах подъема многозаходной винтовой линии червяка он переходит в разряд винтовой шестерни, и обратимость входа и выхода в такой новой винтовой передаче возможна, но не типична). То же самое можно сказать о винто-рычажном механизме запорной арматуры с выдвижным шпинделем, где входом является вращающаяся резьбовая гайка размещенная, кстати, в узле бугеля задвижки, а выходом - поступательно движущийся выдвижной резьбовой шпиндель с одно- и (реже) - двухзаходной резьбой, приводящий в движение клин или шибер. При смене выхода на вход четырехзвенный винто-
93
рычажный механизм самотормозится и переходит в новое равновесное состояние (составное тело), ничего не имеющего общего с механизмом.
Поэтому не случайно мы начинаем дискуссию с определения ре-дукторного электропривода как многомерной динамической (подчеркиваем) системы.
Говорить о самотормозящихся электроприводах просто не корректно. Можно говорить о равновесии приводной запорной арматуры с выдвижным шпинделем при отключенном электродвигателе в составе действующей магистрали, когда запорный орган (клин или шибер) приоткрыт и находится под действием перепада давлений в транспортной трубе. Вот такое новое структурное аварийное образование должно быть статически уравновешенным (самотормозящимся), чтобы исключить самопроизвольное движение запорного органа до полного открытия транспортной трубы. Но эти задачи не имеют отношения к настоящей дискуссии и не рассматриваются в статье [2]. Разумеется, что червячный привод на задвижке с выдвижным шпинделем в аварийной ситуации существенно способствует торможению и без того самотормозящегося ее четырехзвенного механизма в структуре. Но не следует забывать, что общий КПД приводной арматуры с червячным приводом определяется через КПД червячного привода и КПД винто-рычажного механизма задвижки и очень низок по величине (побщ — 0,25) даже при неучете потерь в электродвигателе (пэ д — 0,7).
Можно было бы остановиться и на других замечаниях рецензента, но они малосущественны в рассматриваемом случае и будут учтены разработчиком. Что касается электронно-механической подсистемы многооборотного многопоточного электропривода, то это отдельная серьёзная проблема, требующая концептуального обоснования и самостоятельного освящения в научной печати, а поэтому мы здесь на ней не останавливаемся.
В целом можно только поблагодарить рецензента за большую проделанную работу, так как рецензия дополнительно укрепляет уверенность разработчиков в правильности выстроенного подхода к решению сложнейшей приоритетной проблемы отрасли в области механики приводов и не только её.
Список литературы
1. Мозжечков В.А. Рецензия на статью «Многооборотный электропривод для управления запорной арматурой» // Арматуростроение. 2012. №2. С. 60-61.
Российские электроприводы трубопроводной арматуры. _Разработка, испытания и эксплуатация_
2. Многооборотный электропривод для управления запорной арматурой трубопроводного транспорта / Р. В. Алалуев [и др.]//Арматуростроение. 2012. № 2. С.54-59.
3. Асинхронные электроприводы нового технического уровня и приоритетные направления их развития / К.С. Колесников [и др.] //Известия ТулГУ. Сер. «Машиноведение, системы приводов и детали машин». Вып. 1. Тула : Изд-во ТулГУ, 2004. 174 с.
4. Патент на изобретение 2402707 Российская Федерация, МПК F16H Двухступенчатая планетарная передача / Сидоров П.Г., Сидоров О.П., Смелов Ю.Е., Пашин А.А., Плясов А.В., Ширяев И.А. № 2008139793/11; заявл. 08.10.2008 ; опубл. 27.10.2010.Бюл. № 30.
5. 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.
6. Грязев М.В., Сидоров П.Г. Многопоточные зубчатые приводы // Новый оборонный заказ (стратегии). 2011, № 4. С.80.
7. Сидоров П.Г. [и др.]. Новое построение габаритного ряда многооборотных многопоточных электроприводов запорной арматуры с выдвижным шпинделем //Арматуростроение. 2012. № 3. С.68-75.
8. Патент на изобретение 2402707 Российская Федерация, МПК F16H Универсальный высокомоментный многооборотный электропривод запорной арматуры трубопроводного транспорта / Сидоров П.Г., Распопов В.Я., Дмитриев А.В., Пашин А.А., Терешкин М.В., Видешкин Ю.В., Плясов А.В. № 2011121427/11; заявл. 30.05.2011; опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21.
P.G. Sidorov
WE DISCUSS THE REVIEW d.t.s., prof. Mozzhechkova VA. ON PAPER «THE MUL TITURNARO UND ELECTRIC DRIVE FOR MANAGEMENT PIPELINE OF ARMATURE», ARMATUROSTROENIE OF №2 2012 PUBLISHED IN THE LOG
The main distinctive innovative signs of multiline gearings in comparison with planet gears in multisatellite modification are observed and the exclusive expediency of their application in structure of modern geared power-driven technics is proved.
Key words: the electric drive, multiline transmission, a toothed wheel, the carrier, the satellite, a planetary wheelwork, a spindle, a pipe-line transport, a dimensional row, the wedge gate valve.
Получено 3.12.12
УДК 629.062
