CC BY
21
Александр Сергеевич Шапшал, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Евгений Юрьевич Черкесов, старший преподаватель, taekwon-do123@rambler. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский юридический институт Министерства внутренних дел Российской Федерации
APPLICATION OF THE BAYESMETHOD FOR DIAGNOSTICS TECHNICAL CONDITION OF LOCOMOTIVE UNITS
P.V. Gubarev, A.S. Shapshal, E.Y. Cherkessov
In the article, the authors used the Bayesian method to diagnose the technical condition of the bearings of the traction motors of locomotives. The calculation of the probability of a good condition of the bearing when observing vibration in the range of 0.25 ... 0.5 g.
Key words: locomotive, traction motor, bearing, Bayesian method, diagnostics, technical condition.
Pavel Valentinovich Gubarev, candidate of technical sciences, docent, pavel. gybarev@yandex. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Alexander Sergeevich Shapshal, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Yevgeny Yuryevich Cherkesov, senior lecturer, taekwon-do 123@rambler. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov law Institute of the Ministry of internal Affairs of the Russian Federation
УДК 621.83.061.1
РЕДУКТОРЫ СЕРИИ РН ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ: КОНЦЕПЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ
Ю.В. Китаев, В. А. Мозжечков
Изложена концепция, принципы и опыт разработки типового ряда редукторов для управления неполноповоротной трубопроводной арматурой, к которой относятся, в частности, краны и поворотные затворы. Рассматриваемый ряд редукторов, получивший условное обозначение РН, был разработан под руководством авторов в ЗАО «Инженерно-технический центр «Привод»» и серийно выпускается в ЗАО «Тула-электропривод».
Ключевые слова: редуктор, трубопроводная арматура, приводы трубопроводной арматуры.
Трубопроводной арматурой (ТПА) называют устройства, обеспечивающие изменение площади проходного сечения трубопровода. Важным классом ТПА является неполноповоротная арматура, к которой относятся, например, шаровые краны и поворотные затворы. Данный класс ТПА
388
характеризуется тем, что полное закрывание и открывание проходного сечения трубопровода осуществляется при повороте вала арматуры менее чем на один оборот. Использование электропривода для управления такой арматурой предполагает применение редуктора, понижающего скорость вращения вала электродвигателя и повышающего его крутящий момент до значений, необходимых для поворота вала арматуры на заданный угол за требуемое время. Для неполноповоротной ТПА с относительно небольшим проходным сечением используют электроприводы моноблочной конструкции, в которой все компоненты привода расположены в едином корпусе. В случае больших проходных сечений для управления неполноповоротной ТПА, как правило, применяют сочетание многооборотного моноблочного электропривода и неполноповоротного редуктора. В результате указанного сочетания получается неполноповоротный привод модульной конструкции. Модульный принцип построения электропривода ТПА обеспечивает большое разнообразие возможных сочетаний относительно небольшого набора модулей и тем самым гибкую адаптацию получаемого привода к широкой гамме исполнений неполноповоротной ТПА.
Привод, редуктор и арматура часто не имеют общего производителя. Они собираются у заказчика, становясь единым изделием, но не всегда слаженным агрегатом. Даже самый лучший кран с самым лучшим редуктором и самым лучшим приводом не гарантируют достижение оптимального сочетания эксплуатационных характеристик и высокой надежности.
Задача оптимального сочетания привода, редуктора и арматуры усугубляется отсутствием нормативных документов, разделяющих арматуру по условиям эксплуатации и задающих запасы прочности. Отсутствуют и единые стандартизованные ряды исполнений арматуры (кроме рядов из стандарта ISO 5211, определяющих размеры фланцев для присоединений привода к арматуре). В результате проектировщики и изготовители редукторов множат число типоразмеров своей продукции, предлагая потребителю самому подбирать под арматуру сочетание привода с фланцевыми переходниками и редукторами, имеющими подходящие передаточные числа и факторы передачи момента. Данная проблема отмечается и другими авторами [1].
В определенной степени удается решить указанную задачу проектируя, изготавливая и поставляя совместно многооборотный привод и неполноповоротный редуктор как единое изделие, добиваясь гармоничного сочетания параметров и удобной компоновки. В таком виде комплексная поставка обладает неоспоримым достоинством: привод в сборе с редуктором проходит на предприятии-изготовителе приемо-сдаточные испытания и тарировку на нагрузочном стенде в динамическом режиме. Впоследствии это дает возможность по показаниям измерителя момента на приводе контролировать состояние арматуры и следить за его изменением в процессе эксплуатации. Раздельная поставка привода и редуктора такими преимуществами не обладает.
Концепция и принципы разработки. Далее рассмотрим концепцию и принципы решения вышеуказанной задачи на примере неполнопо-воротных редукторов серии РН, спроектированных под руководством авторов в ЗАО «Инженерно-технический центр «Привод»», серийно выпускаемых ЗАО «Тулаэлектропривод» и поставляемых заказчикам совместно с его основной продукцией - многооборотными приводами серии ЭП4 [2].
Главной концепцией разработки редукторов серии РН было создание типового ряда редукторов, который в сочетании с многооборотными приводами серии ЭП4 позволяет получать множество исполнений непол-ноповоротных электроприводов гармонично сочетающихся с широкой гаммой неполноповоротной ТПА.
Конструирование редукторов серии РН велось исходя из следующих принципов:
1. Верхний предел настройки крутящего момента, развиваемого приводами серии ЭП4, составляет 60; 120; 250; 500 и 1000 Н- м. Поэтому для попадания в ряд крутящих моментов по стандарту ISO 5211 (2; 4; 8; 16; 32 кН-м), редукторы должны иметь фактор передачи момента, близкий к f = 33 с небольшим превышением для запаса.
2. Приводы серии ЭП4 уже обладают необратимостью передачи (самоторможением), поэтому работающий с ним в паре редуктор может не иметь самоторможения. Это открывает перспективы применения в редукторе высокоэффективных передач, обладающих высоким КПД.
3. Привод с редуктором для ТПА является стационарным оборудованием, поэтому снижение веса не становится для редуктора приоритетным. Более важной задачей является поиск компоновочного решения, позволяющего оптимально расположить привод на редукторе ради повышения вибро- и сейсмостойкости системы.
4. Обязательным требованием к редуктору является наличие упоров, не допускающих выход запорного органа ТПА за пределы рабочей зоны.
5. Конструкция редуктора должна иметь предохранительное устройство, уберегающее редуктор от разрушения под действием запредельных нагрузок.
6. Механический указатель положения арматуры должен быть как хорошо различим со значительного расстояния, так и с достаточной точностью (обычно ±1...2 °) показывать положение запорного органа ТПА относительно настраиваемых положений.
7. Конструкция редуктора должна быть ориентирована на технологические возможности предприятия-изготовителя и ремонтные службы отрасли потребителя.
8. Особое внимание должно быть уделено недопущению ошибок, приводящих к поломке редуктора и ТПА на стадии наладочных работ вследствие действия запредельных нагрузок. Поэтому в руководстве по эксплуатации редуктора должен быть четко прописан алгоритм установки привода с редуктором на ТПА и их совместной настройки.
390
Подавляющее большинство неполноповоротных редукторов (AUMA серии GS, Mastergear серии MF, Rotork множества серий и проч.) выполнены на базе традиционной самотормозящейся червячной передачи с колесом или сектором из бронзы или антифрикционного чугуна. ООО «Механик» предлагает помимо червячных также спироидные редукторы серии РЗА-С, обладающие более высокой нагрузочной способностью вследствие многопарного зацепления. Встречаются также кулисно-винтовые редукторы (АО «Тяжпромарматура», серия МА). Довольно редко встречаются планетарные эксцентриковые редукторы (например AUMA серии GHE). Высокотехнологичные редукторы, пригодные в принципе в качестве неполноповоротных для ТПА (планетарно-цевочные и волновые), распространения в арматуростроении не получили.
Расчет линейки редукторов строился для ряда удвоения моментов на выходном валу: 2; 4; 8; 16; 32 кН- м.
При выборе параметров редукторов принимались во внимание требования к ТПА по СТО Газпром 2-4.1-212-2008 [3]. Эти требования указывают, что в зависимости от условного прохода крана (DN) время перестановки (поворота на 90°) должно быть не более установленных норм (табл. 1). Учитывая связь условного прохода крана с потребным крутящим моментом и пересчитывая заданное время поворота в скорость вращения получаем, что минимальная угловая скорость выходного вала редуктора в диапазоне крутящих моментов от 2 до 32 кН-м должна находиться в пределах от 0,13 рад/с (для кранов с DN=200 мм) до 0,04 рад/с (для кранов с DN=600 мм). Приводы ЭП4 c верхним пределом настройки ограничителя момента 60; 120; 250; 500 и 1000 Н-м имеют общий ряд частот вращения выходного вала от 4 до 63 об/мин (от 0,42 до 6,60 рад/с), причем наиболее целесообразно применять приводы с частотой вращения 32 или 63 об/мин (3,35 и 6,60 рад/с).
Таблица 1
Время перестановки крана приводом.__
DN 50-100 150 200 300 400 500 600 700 1000 1200 1400
Время, не более, с 6 9 12 18 24 30 36 42 60 72 84
Таким образом, редуктор должен преобразовывать крутящие моменты на входе 60; 120; 250; 500 и 1000 Н-м в моменты на выходе 2; 4; 8; 16; и 32 кН-м, т.е. иметь фактор передачи / = 33 и передаточное число, попадающее в диапазон г = 50...150. Указанное сочетание фактора передачи и передаточного числа обеспечивают редукторы с КПД ^ = И/= 0,22....0,67. Чем выше КПД, тем с меньшим передаточным числом требуется редуктор и тем энергетически выгоднее применение такого редуктора. К тому же одной парой зацепления в червячных, спироидных и кулисно-винтовых редукторах для ТПА не удается получить фактор передачи больше /=20, поэтому их приходится дополнять цилиндрической передачей, что усложняет и удорожает изделие. Если сравнить КПД редукторов различного типа с фактором передачи / = 33, то получится:
391
червячный с дополнительной цилиндрической передачей ; 0,3; спироидный с дополнительной цилиндрической передачей - 0,35; кулисно-винтовой - 0,25; планетарный эксцентриковый - 0,45.
Проектирование. Из приведенного сопоставления видно, что преимущество за планетарным эксцентриковым редуктором. Планетарный эксцентриковый редуктор является достаточно простым и опробованным решением, позволившим на основе четырехзвенного механизма с эволь-вентным зубчатым зацеплением получить требуемое передаточное число, которое, в конечном итоге, было подобрано по результатам испытаний. Все редукторы линейки имеют значения i = 84 и f = 37. Редуктор в разрезе показан на рис. 1.
В целях конструкторской и технологической унификации редукторы желательно строить по принципу геометрического и физического подобия. Учитывая, что во всей линейке редукторов применяются одни и те же материалы, нагрузочная способности редуктора оказалась связана с его линейными размерами (L) зависимостью: М = aL3, где а - коэффициент пропорциональности. За базовый линейный размер был взят внешний диаметр фланца арматуры по ISO 5211, и ряд 175 мм (F14, 2 кН- м), 210 мм (F16, 4 кН-м), 300 мм (F20, 8 кН-м), 350 (F30, 16 кН-м) и 415 мм (F35, 32 кН-м) хорошо вписался в формулу М = aL3. Таким образом, крутящий момент редуктора оказался связан с диаметрами присоединительных фланцев ТПА и редуктора, обеспечивая геометрическое слияние корпусов с фланцами по всей линейке.
Соосное расположение арматуры, редуктора и привода (рис. 2) делает компоновку удобной для монтажа, настройки и обслуживания, а также выгодно отличает её с точки зрения вибро- и сейсмостойкости ввиду того, что при типовом положении (привод сверху) вектор веса привода проходит через его фланец.
Редукторы имеют встроенные упоры, позволяющие настроить их так, чтобы не допустить перебег запорного органа арматуры за допустимые пределы. Практика показала, что недостаточно квалифицированный персонал часто допускал поломку редуктора из-за неправильной настройки упоров, особенно часто в случае применения высокоскоростных приводов с частотой вращения выходного вала 63 об/мин и более. После получения сигнала от концевого выключателя двигатель привода отключается, но его ротор вращается по инерции вместе с выходным валом редуктора. Слишком близко выставленный упор при этом получает жесткий удар, сила которого может многократно превысить расчетную нагрузку. Упоры, как и сам редуктор, спроектированы и испытываются на двукратную статическую нагрузку по отношению к номиналу (2, 4,.., 32 кН-м), превышение которой недопустимо. В конструкцию редуктора для ограничения передаваемого крутящего момента в месте соединения валов привода и редуктора введен механический предохранитель (рис. 3), который ломается при превышении допустимого момента. Сечения по местам среза подобраны с учетом необходимой усталостной прочности.
1 2 3 4 5 6
19 18 17 16
20 21 22 23
Рис. 1. Редуктор серии РН: 1 - установочные винты; 2 - пробка заливная; 3 - шток; 4 - эксцентриковый вал; 5 - манжета; 6 - щека; 7 - разделительные кольца; 8 - колесо; 9 - сателлиты; 10 - кольца уплотнения колеса; 11 - пальцы; 12- кольца уплотнения штока; 13 - пробка сливная; 14- водило; 15 - корпус; 16 - кольцо уплотнения водила; 17 - адаптерная втулка; 18 - подшипники вала; 19 - подшипники сателлита; 20 - колпачки; 21 - контргайки; 22 -шайбы; 23 - упор; 24 - крышка; 25 - винты крепления
Рис. 2. Соосная компоновка в различных вариантах
Рис. 3. Виды предохранителей от перегрузки редукторов РН2 и РН8
Указатель в последних исполнениях приводов серии ЭП4 с редукторами серии РН показан на рис. 4.
Рис. 4. Указатель положения запорного органа арматуры
Приводы и редукторы имеют местный указатель положения запорного органа арматуры, который должен быть хорошо виден с площадки обслуживания при любых погодных условиях. Другое назначение указателя - облегчить настройку концевых выключателей привода, поэтому стрелка должна иметь возможность точного совмещения с метками на корпусе «Открыто» и «Закрыто» после того, как привод с редуктором установлен на арматуру с заведомо известным положением запорного органа. Планетарные эксцентриковые редукторы РН выпускаются ЗАО «Ту-
394
лаэлектропривод» с 2009 г. по ТУ 4161-001-70780838-2009. С тех пор накоплен достаточный опыт их применения. Вместе с тем, удалось выявить некоторые недостатки, свойственные конструкции:
1. Полужидкая смазка редуктора со временем выделяет жидкую фракцию, вытекающую сквозь уплотнения из-за суточных перепадов температур.
2. Стягивающие винты корпуса редуктора склонны к растяжению и развинчиванию под действием циркулирующей нагрузки из-за орбитального вращении разнесенных по плоскостям сателлитов, что требует дополнительных мер по фиксации соединений по стыкам.
3. Редуктор может иметь только обратное вращение, что ухудшает его сочетаемость с многооборотным приводом (требуется привод с обратным вращением ручного дублера).
К настоящему времени завершены работы по устранению указанных недостатков. Были разработаны и осваиваются в производстве редукторы серии РН новой модификации, в основу которой положена оригинальная кинематическая схема. Схему можно определить как планетарная четырехзвенная однорядная передача с одновенцовыми сателлитами. Известна схема четырехзвенной планетарной передачи (рис. 5, а) с двухвен-цовым сателлитом 3, который получает вращение от солнечного колеса 2 и катится внутри эпициклических колес 1 и 4. При разности зубьев на колесах 1 и 4 подвижное колесо 4 начинает медленно вращаться относительно неподвижного колеса 1. Недостатком такой схемы является двухвенцовый сателлит, который не позволяет ввести в зацепление с солнечным колесом сразу оба венца. В результате на сателлит начинает действовать радиальная сила со стороны одного из эпициклических колес, не уравновешенная реакцией опоры со стороны солнечного колеса. Отсутствие центральной опоры под венцом снижает несущую способность планетарной передачи и ограничивает ее применение в силовых редукторах. Рассмотренная схема была переработана. В результате предложена новая схема (рис. 5, б), позволившая избежать указанных недостатков.
б
Рис. 5. Кинематические схемы: а - схема четырехзвенной планетарной передачи; б - новая схема планетарной передачи
395
1
1
а
Сателлит 2 выполняют одновенцовым, а оба эпициклических колеса (1 и 3), несмотря на разницу в числе зубьев, вводят с ним в эвольвентное зацепление. В итоге появляется возможность удлинить зубчатый венец солнечного колеса и свести радиальные силы от нагрузки в одну плоскость, что резко повышает нагрузочную способность передачи. Кроме того, став одновенцовым упростился сателлит. Оба эпициклических колеса имеют корригированный эвольвентный профиль. Компьютерное моделирование позволило подобрать оптимальные смещения, позволяющие выровнять диаметры эпициклических колес и избежать интерференции профилей. Формула для расчета передаточного числа имеет вид:
I = ( ^неподв/^солн+1) ¿подв/Юсател, где ¿подв и ¿неподв - число зубьев подвижного и
неподвижного колеса соответственно; 2солн - число зубьев солнечного колеса; тсател - число сателлитов. Если число зубьев в неподвижном колесе меньше, чем в подвижном, то вращение не инвертируется, и наоборот. Такая планетарная передача обладает большим передаточным числом (г=66,5...369) и хорошо подходит для одноступенчатых неполноповорот-ных редукторов, имея фактор передачи момента / = 33...250. В отличие от планетарного эксцентрикового редуктора в предложенном механизме радиальные силы от рабочей нагрузки сходятся в центре на оси вращения и уравновешиваются не вызывая вредной осевой циркулирующей нагрузки. Лучшие условия проникновения смазки к трущимся деталям и отсутствие критичных к трению и износу пар в контакте «сателлит-палец водила» позволили заменить полужидкую смазку на консистентную, вносимую на заводе на весь срок службы редуктора.
Модифицированные редукторы (табл. 3, 4) удалось приблизить по всем параметрам к прежним редукторам, изготовляемым по ТУ 4161-00170780838-2009, что позволило обеспечить их полную взаимозаменяемость.
Таблица 3
Параметры модифицированных редукторов^ серии ^РН _
Характеристика РН 2 РН 4 РН 8 РН 16 РН 32
Номинальный крутящий момент на выходном валу редуктора, кН-м 2 4 8 16 32
Диапазон моментов на выходном валу при настройке привода от 40 до 100 % от номинала, кН-м 0,962,40 1,924,80 410 820 1640
Диапазон моментов на входном валу при настройке привода от 40 до 100 % от номинала, Н-м 2460 48120 100250 200500 4001000
Тип присоед. фланца по ISO 5211 F14 F16 F25 F30 F35
Наибольший диаметр шпинделя, мм 60 72 100 120 160
Наибольшая длина шпинделя, мм 65 80 110 130 180
Тип фланца по ОСТ 26-07-763 для присоединения к электроприводу А А Б Б В
Масса редуктора, не более, кг 22 38 110 140 262
Таблица 4
Время поворота выходного вала редуктора на 90° как функция _частоты вращения выходного вала электропривода
Время поворота, с 223 156 114 78 57 40 28 20 14 10 7
Частота вращения, об/мин 5,6 8 11 16 22 32 45 63 90 125 180
У всех редукторов серии РН: угол поворота настраиваемый в диапазоне от 80° до 115°, кинематическое передаточное отношение равно 1:82,3 для редукторов с обратным вращением и 1:83,3 для редукторов с прямым вращением, число оборотов входного вала для поворота на 90 равно 21, фактор передачи момента равен 40.
Таким образом, линейка редукторов РН продолжает развиваться и вместе с приводами серии ЭП4 при комплексной поставке представляет, по сути, ряд неполноповоротных приводов, работающих в диапазоне крутящего момента от 1 до 40 кН- м со скоростью перестановки рабочего органа ТПА на 90° от 7 до 223 с.
Пример. В качестве примера рассмотрим, как проводится подборка редуктора и привода, например, к шаровому крану БРОЕН Балломакс КШГ 71.312.400 (DN400, PN16, F25). Подбирают привод с редуктором производства ЗАО «Тулаэлектропривод». Из табл. 3 следует, что потребный крутящий момент 8,25 кН-м и время перестановки крана 20 секунд обеспечивается редуктором РН8 с приводом ЭП4, имеющим диапазон настройки отключающего момента от 100 до 250 Н-м и частоту вращения 63 об/мин.
Заключение. В статье изложена концепция, принципы и опыт разработки типового ряда редукторов для управления неполноповоротной трубопроводной арматурой, к которой относятся, в частности, краны и поворотные затворы. Рассматриваемый ряд редукторов, получивший условное обозначение РН, был разработан под руководством авторов в ЗАО "Инженерно-технический центр "Привод"" и серийно выпускается в ЗАО "Тулаэлектропривод".
Список литературы
1. Гольдфарб В.И., Трубачев Е.С., Кузнецов А.С. Перспективы и практика применения спироидных передач в приводах трубопроводной арматуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 5. Ч. 2. С. 61 - 74.
2. Электроприводы серии ЭП4 // Сайт ЗАО «Тулаэлектропривод». 2019 [Электронный ресурс]. URL: http://www.tulaprivod.ru/products/multi-turn-actuators (дата обращения: 28.01.2019).
3. СТО Газпром 2-4.1-212-2008. Общие технические требования к трубопроводной арматуре, поставляемой на объекты ОАО «Газпром». М.: Изд-во ООО «ИРЦ Газпром», 2008. 85 с.
Китаев Юрий Васильевич, канд. техн. наук, доцент, начальник конструкторского бюро, kitaevatulaprivod.ru, Россия, Тула, ЗАО «Инженерно-технический центр «Привод»,
Мозжечков Владимир Анатольевич, д-р техн. наук, доцент, главный инженер, itcatulaprivod.ru, Россия, Тула, ЗАО «Инженерно-технический центр «Привод»,
GEARBOXES PH SERIES FOR VALVES: CONCEPT AND DEVELOPMENT PRINCIPLES
Yu. V. Kitaev, V.A. Mozzhechkov
The concept, principles and experience of development of a standard number of reducers for control of incomplete pipeline valves, which include, in particular, cranes and rotary valves, are presented. Considered a number of gearboxes, which received the symbol PH, was developed under the guidance of the authors in JSC «Engineering center «Drive» and is commercially available in JSC «Tulaelektroprivod».
Key words: reducer, pipeline valves, actuators of pipeline valves.
Kitaev Yury Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, head of the design bureau, kitaevatulaprivod.ru, Russia, Tula, CJSC «Engineering and Technical Center «Privod»»
Mozzhechkov Vladimir Anatolyevich, doctor of technical sciences, docent, chief engineer, itcatulaprivod.ru, Russia, Tula, CJSC «Engineering and Technical Center «Privod»
УДК 539.311
ПОВЕДЕНИЕ УПРУГОГО СЛОЯ ИЗ МАТЕРИАЛА МУНИ-РИВЛИНА МЕЖДУ ДВУМЯ ЖЕСТКИМИ КОАКСИАЛЬНЫМИ ЦИЛИНДРАМИ
М.А. Кудряшов
Рассмотрена задача о вращении жестких коаксиальных цилиндров с упругим промежуточным слоем из материала Муни-Ривлина в частном случае статического нагружения.
Ключевые слова: упругость, материал Муни, коаксиальные цилиндры, сдвиг.
Исследования, посвященные формоизменению среды, заключенной между коаксиальными цилиндрами актуальны в вопросах разработки боеприпасов [1]. Измерения механических характеристик материалов конструкций [2], бесспорно представляют академический интерес [3, 4].
В работе [5] в квадратурах решена задача динамики вращения жестких коаксиальных цилиндров с промежуточным слоем из материала Муни, получены практические результаты. Примечательно, что в случае статического нагружения, равноускоренного движения, либо движения с постоянной скоростью рассмотренная задача становится кинематически определимой и может быть проинтегрирована аналитически.
Итак, имеется два жестких коаксиальных цилиндра — внешний с радиусом Д0 и внутренний с радиусом соответственно. Между телами вращения заключен несжимаемый упругий промежуточный слой из материала Муни, обладающий плотностью р и «модулем сдвига» (имеется ввиду удвоенная сумма констант Муни-Ривлина) равным Осевое перемещение отсутствует. Внешний цилиндр под действием распределенного
398
