CC BY
61
УПРАВЛЕНИЕ КА ЧЕСТВОМ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
УДК 338.43:621.646.98
ВОЗМОЖНОСТЬ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ «ЭЛЕКТРОПРИВОД -ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА» МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Е.В. Плахотникова, В. Б. Протасьев
Рассмотрена возможность использования в системе «электропривод - запорная арматура» современных датчиков линейных и угловых перемещений и демпфирующих элементов с целью повышения их функциональных характеристик, конкурентоспособности и качества.
Ключевые слова: электроприводная запорная арматура, динамические нагрузки, электродинамический момент, датчики линейных и угловых перемещений.
В работах [1, 2] на основе теоретических и экспериментальных исследований показано, что мощность электроприводов, обеспечивающих перемещение и закрытие запорной арматуры, можно значительно снизить. Конкурентные преимущества такого решения очевидны и не требуют дополнительных пояснений.
Факторами, которые способствуют снижению мощности, необходимо строго учитывать при расчетах системы «электропривод - запорная арматура» являются:
время запаздывания сигнала на отключение асинхронного электродвигателя, обусловленное временем срабатывания микропереключателей, пусковой аппаратуры, реле и т.д.;
инерция, которую электропривод передает на запорный клапан с момента отключения до полной остановки.
Кроме отмеченных факторов необходимо правильно определить места расположения путевых выключателей, их технические характеристик и возможности получения измерительной информации в виде пройденного клапаном пути или соответствующего угла поворота ротора двигателя, или силового винта.
На рис. 1 показана типовая принципиальная схема системы «электропривод - запорная арматура». Такая схема включает асинхронный
электродвигатель (поз.1), вал которого посредством муфты соединен с червяком (К), который вместе с колесом (2) образует самотормозящую червячную передачу. Далее вращение передается на вал (поз. 4), на винт (поз. 5), который перемещает клапан (поз.6) и обеспечивает его прилегание к седлу (поз.7) корпуса запорной арматуры.
Червяк (К) имеет возможность осевого перемещения, поэтому он сжимает пружину (поз.3), а конечные выключатели (поз.2) срабатывают на отключение двигателя, когда он обеспечивает необходимый момент настройки Мн.зак.
2
Рис. 1. Типовая кинематическая схема электродинамической системы «электропривод - запорная арматура»
Далее срабатывает в течение времени пусковая аппаратура и спустя некоторое время Д1;2 двигатель останавливается, передав свои инерционные возможности и обеспечив результирующий электродинамический момент (Мэл.дин.) [2].
Сразу отметим нерациональность схемы в том, что она использует пружины сжатия (поз.3). На сжатие пружин расходуется почти такая же мощность, как и на вращение червячного колеса (2). Минимизировать мощность электродвигателя при такой схеме проблематично.
Возвращаясь к схеме (рис.1), отметим, что между корпусом электропривода и корпусом запорной арматуры, все чаще устанавливают т.н. адаптер (поз.8), который аккумулирует использованную при закрытии клапана часть энергии, обеспечиваемой инерционными эффектами при остановке двигателя.
В работе [2] установлено, что зависимость Мн =ДМэл.дин.) носит линейный характер (рис.2) и описывается функцией:
г:::-:. _ ■'-1 \_ (1)
где Мн.эл.дин. - величина крутящего момента настройки электропривода на отключение при выполнении рабочего цикла «открыто - закрыто» заданная с учетом электродинамической поправки системы, зависящей от жесткости, инерции и времени запаздывания системы при отключении электродвигателя [2]; Мнзак. - расчетное значение крутящего момента настройки электропривода на отключение при выполнении рабочего цикла «открыто - закрыто» назначенное в результате статического силового расчета запорной арматуры без учета электродинамической поправки системы; Мэлдин. - электродинамический крутящий момент развиваемый системой при полной остановке при ее настройке по значению крутящего момента закрытия Мнзак.; Мзак - крутящий момент закрытия, прописанный в ТУ на запорную арматуру и необходимый для герметичного перекрытия трубопровода при выполнении рабочего цикла «открыто - закрыто» значение которого обеспечивается при настройке электропривода на отключение по значению крутящего момента Мнэлдин.; т - угол наклона линии, показывающей изменение электродинамического крутящего момента системы «электропривод - запорная арматура» А(Мэлдин.) к оси абсцисс, в системе координат (Мэлдин; Мн).
Значение угла можно определить из следующей зависимости:
где МнЬ Мн2 - значения крутящих моментов настройки электропривода на отключение принятые для экспериментального определения значений электродинамических моментов системы «электропривод - запорная арматура»; Мэлдин1, Мэлдин2 - значения электродинамических моментов системы зафиксированных при экспериментальных исследованиях.
Определить вышеуказанные значения можно путем дополнения электропривода электронным блоком управления, например блоком АиМАТІС АС 01.2 Коп-іпігшіує, который позволяет фиксировать значения крутящих моментов, развиваемых системой при полной остановке, даже после отключения электродвигателя привода.
Рассмотрим три варианта электродинамических систем «электропривод - запорная арматура» представленные на рис.2.
За основу анализа примем соотношение между крутящими моментами настроек электропривода на отключение (Мн) и результирующими электродинамическими моментами (Мэлдин).
На рисунке 2а, представлен график изменения крутящего момента системы «электропривод - запорная арматура», при функционировании которой результирующий электродинамический момент соответствует крутящему моменту, заданному при настройке электропривода на отключение:
(2)
Н
(3)
Рис. 2. Варианты соотношений настроечных (Мн) и электродинамических результирующих моментов (Мэл.дин) в системе «электропривод-запорная арматура»
Представленный вариант (рис. 2, а) возможен только при отсутствии временных задержек при отключении электродвигателя и инерционных моментов при остановке системы. Случай гипотетичен и не является наиболее рациональным, но примем его за точку отсчета (базу) для анализа других вариантов (рис. 2, б-в).
Обычно значение результирующего электродинамического момента Мэлдин., фиксируемое при полной остановки системы, превышает значение крутящего момента настройки электропривода на отключение Мнзак. [2] (рис. 2, б).
-'1;-: (4)
Данные вариант (рис.2б) описывает реальное состояние электродинамической системы, для которой характерны и временные задержки, связанные с гистерезисом элементов входящих в систему управления, и инерционный момент. Рассогласование входных и выходных характеристик, может быть выгодным, если значение момента настройки электропривода на отключение рассчитано корректно, с учетом электродинамической поправки [2]. В этом случае, за счет рационального использования электродинамических возможностей привода значение крутящего момента необходимого для уплотнения запорной арматуры Мзак можно достичь электроприводом меньшей мощности, что предотвращает чрезмерные нагрузки, возникающие в запорной арматуре под действием электропривода [3].
Третий вариант (рис.2в) описывает ситуацию, при которой значение электродинамического момента системы меньше значения крутящего момента, заданного при настройке электропривода на отключение:
-'1;-: (5)
Причина такого поведения системы, очевидно, заложена в нерациональности конструкции: ее низком к.п.д. и скоротечных динамических процессах.
Анализируя графики (рис. 2) можно сделать несколько выводов.
Первый вывод состоит в том, что для надежного функционирования электродинамической системы «электропривод - запорная арматура» значение угла т должно быть меньше 45°. Его рациональную величину можно определить, составив баланс выполненной приводом работы и определения условия, при котором ее величина минимально достаточна.
В качестве второго вывода отметим, что при проектировании и изготовление системы «электропривод - запорная арматура» необходимо учитывать значение т, которое является ее важной электродинамической характеристикой и позволяет при необходимости обосновать возможное снижение силовых характеристик и использование менее мощных электроприводов.
Определив возможные соотношения настроечных и электродинамических моментов системы и обозначив причины, при которых возмож-
ны представленные ситуации, рассмотрим механизм отключения электродвигателя, поскольку ранее нами отмечено, что места расположения путевых выключателей имеют важное значение.
В качестве примера проанализируем гипотетическую систему, изображенную схематично на рисунке 3.
Отличительными признаками схемы является отсутствие пружин (рис. 1) и использование бесконтактных более точных и менее склонных к гистерезису датчиков, вместо контактных путевых выключателей
Рис. 3. Схема возможного расположения бесконтактных датчиков
Представленная система (рис. 3) также как и в предыдущем случае (рис. 1) состоит из асинхронного электродвигателя (поз.1), червячной передачи ( —), адаптера (поз.4), ходового винта (поз. 5) снабженного демп-
¿Г
фирующим элементом (поз.3), клапана (поз.6) и седла (поз.9).
В схеме (рис.3) использованы:
датчик регистрирующий угол поворота ф червячного колеса (поз.2);
датчик регистрирующий угол поворота ф-Дф ходового винта (поз.5);
датчик регистрирующий путь I клапана (поз.8).
Все перечисленные датчики бесконтактные, использующие принцип индуктосина [4], введены нами в систему для регистрации указанных выше параметров с момента отключения электродвигателя до полной остановки электродинамической системы «электропривод -запорная арматура».
Такие датчики широко используются в станках с ЧПУ и показали высокую точность и надежность эксплуатации. Каждый из введенных датчиков может выполнять функцию управления электродвигателем, что и происходит в станках с ЧПУ.
Проанализируем возможности (информативность) каждого из перечисленных датчиков (рис.3).
Датчик 2 регистрирует угол поворота ф, что в принципе равноценно использованию путевых выключателей на рис.1. Состояние системы в цепи «червячное колесо Ъ - седло клапан» с его помощью оценить не представляется возможным.
Датчик 7 регистрирует угол поворота демпфирующего устройства (поз.3), причем этот угол меньше угла ф, зафиксированного датчиком 2 на величину Дф, которое обеспечивает демпфирующее устройство. Как и в предыдущем случае датчик 7, используемый в одиночку не дает информации о состоянии кинематической цепи ниже демпфирующего устройства.
Датчик 8, регистрирующий только ход клапана (поз.6),расположенный на конечном звене кинематической цепи, наиболее информативен с позиции прилегания клапана к седлу (поз.9) с необходимым усилием, но по его данным невозможно оценить состояние кинематической цепи от электродвигателя (поз.1) до клапана (поз.6).
Совместное использование датчиков 2,7 и 8 рационально на испытательных стендах, поскольку сравнивая их показатели можно оценить деформации всех участков системы и оптимизировать податливость всех ее звеньев.
Если такая задача решена в системе «электропривод - запорная арматура» рационально использовать только датчик 8, причем пружины 3 (рис.1) из конструкции необходимо исключить. Их функции будет выполнять демпфирующий элемент.
С одной стороны он обеспечит необходимую податливость и за счет закручивания на угол Дф необходимое усилие закрытия, с другой стороны за счет эффекта самоторможения запорная арматура произвольно не откроется.
Пружины (поз.3, рис.1), расположенные на валу червяка снижают надежность системы «электропривод - запорная арматура», поскольку снижают эффект самоторможения всей системы.
Обобщая изложенное отметим, что надежность функционирования системы «электропривод - запорная арматура» может быть повышена, за счет использования бесконтактных датчиков, расположенных непосредственно на исполнительном элементе системы (клапане).
Мощность электропривода можно снизить более чем вдвое, исключив демпфирующую пружину на входном валу червячной пары и за счет использования электродинамического момента.
Возражения, связанные с более высокой стоимостью бесконтактных датчиков, авторы не считают препятствием для использования, поскольку их мощность, а также и цена должна быть ниже, чем в станках с ЧПУ, а безопасность АЭС, в которых рассматриваемые системы используются, не нуждаются в комментариях.
Список литературы
1. Плахотникова Е. В. Динамические нагрузки в электроприводной арматуре /Елисеева Т. А.// Международный журнал «Трубопроводная арматура и оборудование» № 5 (62). 2012 С. 72-75.
2. Плахотникова Е.В. Повышение эффективности систем «запорная арматура - электропривод»/ Протасьев В.Б.// Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып.6. Часть 1. Тула, ТулГУ, 2013, С. 142-152.
3. Шпаков О.Н. О расчете нагрузок в электроприводной арматуре// Межотраслевой журнал «Арматуростроение» № 5 (37). 2005 С. 48-51.
4. Федотов А.В. Автоматизация управления в производственных системах: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. 354 с.
Плахотникова Елена Владимировна, канд. техн. наук, доц.,
e_plahotnikova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Протасьев Виктор Борисович, д-р техн. наук, проф., imstulgy@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INCREASE OF EFFICIENCY OF SYSTEMS "STOP VALVES - THE ELECTRIC DRIVE"
METROLOGICAL METHODS
E. V. Plahotnikova, V. B. Protasev
Possibility of use in system "the electric drive - stop valves " modern sensors of linear and angular movements and damping elements for the purpose of increase of their functional characteristics, competitiveness and quality is considered.
Key words: electrodriving stop valves, dynamic loadings, electrodynamics moment,, efficiency, sensors of linear and angular movements.
Plahotnikova Elena Vladimirovna, candidate of technical science, docent, e_plahotnikova@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protasev Viktor Borisovich, doctor of technical science, professor, imstulgy@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University
