CC BY
63
УДК 621.833.6
A.В. Дмитриев, канд. техн. наук, гл. конструктор, (47545) 2-12-98, [email protected]
(Россия, Мичуринск, ОАО «Мичуринский завод «Прогресс»),
М.В. Грязев, д-р техн. наук, проф., ректор, (4872) 35-54-50, [email protected],
B.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор, [email protected],
A. А. Пашин, канд. техн. наук, доц.,
B.Я. Распопов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-19-59, П.Г. Сидоров, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 33-23-80, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МНОГОПОТОЧНЫЙ ЗУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА
Представлена новая кинематическая схема многооборотного электропривода запорной арматуры трубопроводного транспорта на базе многопоточных зубчатых передач. Обоснована базовая конструкция и преимущества многопоточного привода по сравнению с серийными образцами.
Ключевые слова: запорная арматура, электропривод, трубопроводный транспорт, планетарный механизм, многопоточная трансмиссия, зубчатое колесо.
В структуре трубопроводных транспортных магистралей многооборотный электропривод предназначен для технологических машин, управляющих движением потока транспортируемой среды. Главная особенность этих технологических машин состоит в том, что их функциональный орган (клин или шибер) совершает поступательное движение, а поэтому запорная арматура преобразует параметры мощностного потока по моменту и скорости, поступающего с электропривода на приводную гайку Тг и о)г,
в требуемые параметры по силе F в и линейной скорости Vв на винте-шпинделе, связанным с функциональным органом арматуры. Эта особенность накладывает ряд ограничений как на структурно-кинематическую схему, так и на образ и конструкцию многооборотного привода в целом, параметры и циклограмму его работы и другие характеристики (габариты, массу, стоимость, надёжность, экономичность изготовления, монтажа и эксплуатации и т.д.).
Широко распространённые многооборотные электроприводы запорной арматуры базируются в основном на редукторных приводах червячного, зубчато-червячного, спироидного, планетарного и зубчато-планетарных типов. Общими недостатками этих многооборотных электроприводов являются: высокая удельная масса (дм « 0,1 ...0,3 кг/Н • м); облик и дизайн, определяемые положением электродвигателя, входного и выходного звеньев редуктора по отношению к главной оси запорной арматуры; сложность, протяжённость и многократная статическая неопределимость
кинематической цепи; низкий КПД, особенно с ростом передаточного числа привода; невозможность унификации и универсализации электроприводов в заданном габарите и как следствие этого - «каждой задвижке - свой автономный привод», а, следовательно, большое число типоразмеров электроприводов в транспортных магистралях с дополнительными затратами на их изготовление и сервисное обслуживание при эксплуатации.
Одной из приоритетных проблем современного машиностроения является создание регулируемых многооборотных универсальных электроприводов нового поколения.
Решить эту проблему можно только на основе новых средств передачи механической энергии от источника к потребителю и новых систем диагностики и управления этим процессом.
Тульский государственный университет совместно с Мичуринским заводом «Прогресс» предпринял попытку создания такого электропривода. На рис. 1 приведена кинематическая схема универсального высокомо-ментного многооборотного электропривода запорной арматуры трубопроводного транспорта, а на рис. 2 - его базовая конструкция. Это многооборотный электропривод может быть использован и для других технологических машин общепромышленного назначения.
Он содержит в своей структуре электродвигатель 2, размещённый в разъёмном корпусе 1; многопоточный зубчатый редуктор "3к - 2g - И" с входом на малом центральном зубчатом колесе с внешними зубьями 9 и выходом на большом центральном колесе 12 с внутренними зубьями; ручной привод-дублёр 16 с входом на водило 6 многопоточной передачи через рядовую коническую передачу 17-18; механизмы и датчики регистрации и ограничения опорного крутящего момента 5, аппаратуру управления электродвигателем, механизмы и датчики управления положением запорного органа, которые размещены в корпусе 1 и на схеме не показаны.
Корпус редуктора электропривода выполнен цилиндрическим и разъёмным, с фланцевыми соединениями с запорной арматурой 15 и электродвигателем 2. Передача выходного крутящего момента с пустотелого выходного вала привода 19 на приводную гайку 13 арматуры обеспечивается адаптером 20, а съёмный адаптер 23 обеспечивает присоединение привода к задвижкам 15 разного диаметра и давления.
Многопоточная передача "3к - 2g - И" содержит два ряда сателлитов gl (7) и g 2 (8), активно влияющих на кинематику передачи. Они входят в структуру двух планетарных ступеней: рядовой быстроходной " а1 - gli - V с входом на двухвенцовом колесе «12, закреплённом на входном валу 4, и с выходом на водило И и квазидифференциальной ступени " «2 - g2i - ¿2" с двумя входами: на малом центральном колесе «2 и водиле И (6) и выходе на большом центральном колесе ¿2, закреплённом на выходном пустотелом валу 19.
Рис. 1. Кинематическая схема универсального многооборотного многопоточного электропривода
Каждая пара сателлитов gl и g2, принадлежащих двум ступеням
передачи, установлена на одной общей оси в водиле. Число сателлитов в каждой ступени одинаковое, нечётное и выбирается из ряда аС1 = аС2 = 5; 7; 9; 11.... Пустотелый выходной вал передачи обеспечивает
свободное поступательное перемещение винта-шпинделя запорной арматуры с закреплённым на нём функциональным органом.
77
Рис. 2. Базовая конструкция многовариантного многопоточного многооборотного электропривода в габарите (aw = 78 мм, = 310)
Универсальный высокомоментный многооборотный электропривод запорной арматуры работает следующим образом.
При включении реверсивного электродвигателя 2 (рис. 1, 2) вращение и мощностной поток через его ротор 3, установленный на консольной части пустотелого входного вала 4, передаются одновременно на венцы малого центрального колеса а1 и а2 двух планетарных ступеней
" а1 - ё\1 - V и " а2 - - ^2". Затем движение и момент с венца а1 мало-
Силовые передачи и двигатели электроприводов. Концепции применения го центрального колеса через сателлиты gl (где I - число сателлитов)
многопоточно передаются через опорное центрально колесо Ь на водило И, а с него - на сателлиты g2 , на которые одновременно поступают движение и момент со второго венца «2 малого центрального колеса. Движения и моменты складываются на сателлитах g2 и передаются на выходное
центральное колесо Ь2, установленное на выходном пустотелом валу 19, связанным через кулачковую полумуфту (адаптер) 20 с приводной гайкой 13 шпинделя 14 в узле Бугеля запорной арматуры 15. Выходной составной пустотелый вал 19 редуктора опирается на две опоры, одна из которых установлена в корпусе редуктора на ступице выходного центрального колеса Ь2, а вторая установлена на поддерживающей части в пустотелом входном валу 4, при этом на консольной части вала 19 размещена или выполнена заодно целое зубчатая шестерня 21, служащая входом 22 для датчика 24 регистрации положения щпинделя 14 электропривода.
Общее передаточное число при передаче движения и мощности в приводе от электродвигателя определяется как
Ь _ Ь Ьу
и 7 - и 1 ' и 1 у
а12Ь2 а12И ИЬ2
1+^
2ах)
2ь2 2а\
2а,1 га2 2ЪХ
(1)
Ь Ь Ъ
где и^и, ^иЬ и иа ь - передаточные числа планетарных ступеней и привода в целом; га , , Zg1, Zg , , 2ьг - числа зубьев зубчатых звеньев привода.
Универсальность привода достигается, если числа зубьев зубчатых звеньев назначаются из условия равенства их сумм в двух ступенях:
_ 2а1 + 2Ъ1 _ 2а2 + 2Ь2 . (2)
При этом числа зубьев центральных колёс тихоходной ступени выбираются из параметрических рядов 2а2 _ 80, 81, ..., 150
и 2ь2 _ 120, 121, ..., 250 таким образом, что 2а2 /аС2 ф целому числу и
■Ь2 /аС2 ф целому числу, а аС1 _ ■ е/ас2 _ целому числу. Числа зубьев
центральных колёс быстроходной ступени и сателлитов обеих ступеней определяются через числа зубьев центральных колёс тихоходной ступени
как 2а1 _ 2а2 , ■Ь1 _ 2Ь2 -А2, zg2 _ 0,5(2Ь2 - ■а2) и ^ _ zg2 - А2 , где А2 _ 2а1 - 2а _ 2ь2 - ■ь1 _ _ Zg - Zgl _ 1, 2,..., 10 устанавливается по
Ь\
величине воспроизводимого передаточного числа иа1 Ь как
А _ 2Ь2 ки1"1.
В конструкциях, где выполняется условие (2), углы зацепления во всех рабочих зацеплениях " a\ - g\ ", " g\ - b^', " a2 - g 2." и " g 2. - b^"
равны между собой и назначаются конструктором из диапазона
20° < aw < 30°, а общее передаточное число приводится к виду
uh b = X (3)
a12 b2 Az j
где 1 < Az j < 10, j - номер комплекта сменных колёс быстроходной ступени для конкретной задвижки с заданными выходными параметрами мощностного потока по скорости, моменту и диаметру.
Последнее выражение позволяет в заданном габарите (межосевое
*
расстояние в рабочих зацеплениях aw = const) и при данной мощности двигателя (Pдв = const) варьировать выходными параметрами мощностно-го потока привода по скорости и моменту в диапазоне 0,1 • zb2 < ub b < zb2 , то есть в десять раз за счёт изменения сменных колёс быстроходной ступени.
В подтверждение вышесказанного приведём определение габарита привода aw в мм, вытекающее из равенства сумм чисел зубьев центральных колёс планетарных ступеней:
aw = 0,25zZm = 0,25m(^ + zbx ) = 0,25m(za2 + zb2 ) , (4)
где m - стандартный модуль зубчатых зацеплений привода, который назначается из ряда m = 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2,0; 2,25; 2,5; 2,75; и 3,0 мм с учётом выполнения условий контактной и изгибной выносливости зубьев, величины выходного крутящего момента, механических свойств материалов зубчатых колёс и технологий изготовления и термохимического упрочнения зубьев.
Подставляя в (4) числа зубьев сменных центральных колёс быстроходной ступени, определяемые как zai. = za2 + Az j и z^ . = z£2 - Az j, получаем: aw = 0,25m( zaj. + z^ .) = 0,25m( za2 + Az j + zb2 - Az j) = = 0,25m( za2 + zb2 ) = const при 1 < Az j < 10.
При вариации модуля в указанном выше диапазоне выходной момент может достигать 100 кН • м и даже более. Такими возможностями не обладает ни один из известных многооборотных электроприводов и ни одна из известных силовых передач в науке и технике.
Таким образом, меняя только сменные колёса 7 (а1.), 9 (¿1.), 11 (gl.) и адаптеры 20 и 23 привязки многооборотного привода к фланцу задвижки и к приводной гайке шпинделя 14 узла Бугеля, можно привод в одном габарите и исполнении распространить на задвижки разного диаметра и давления, с разными параметрами по скорости и моменту, что и обеспечивает универсальность и унификацию предлагаемых многооборотных электроприводов. Это позволит для отрасли в целом снизить номенклатуру современных серийных изделий приводов с 300...500 до пяти, максимум десяти исполнений, что экономически выгодно, а по эксплуатационным соображениям целесообразно и перспективно, в том числе и для унификации и универсализации нового станочного оборудования для изготовления зубчатых колёс.
Благодаря многопоточности и асинфазности движений в потоках увеличивается число контактных пар в рабочих зацеплениях при одновременной их разгрузке, что снижает габариты привода, повышает надёжность и работоспособность. Использование выпукло-вогнутого контакта в силовых, наиболее нагруженных рабочих зацеплениях " g2 - ¿2" гарантируют высокий КПД и экономичность эксплуатации привода. Все звенья привода просты по форме и изготавливаются на серийном станочном оборудовании по хорошо отработанным в производстве технологиям.
Для регистрации крутящего момента на выходном валу опорное колесо ¿2 установлено в корпусе на радиально-упорном подшипнике скольжения и удерживается от вращения по или против часовой стрелки двумя датчиками силы 5, установленными в корпусе и кинематически связанными через толкатели с опорным колесом (на рис. 1, 2 не показаны).
Согласно формуле (4) габариты многооборотного электропривода определяются суммарным числом зубьев центральных колёс планетарных ступеней и модулем рабочих зацеплений. Поэтому для оценки габаритных размеров привода целесообразно привести расчётные зависимости для определения модулей рабочих зацеплений.
Формулы для определения безопасного модуля рабочих зацеплений редукторного многооборотного электропривода из условий изгибной и контактной выносливости зубьев имеет вид [2]
тЕ = Кт 3
Ъ ^ 2
гъ2 % ебшьа[у^2 ]
тн
к
а 3
Ть2 кнб КНв кн(гь2 - zg2)
% ебшьа[уНь2 ]
где Кт - интегральный коэффициент, учитывающий средние условия формирования рабочих зацеплений, который принимается по проф. Г.Б. Иосилевичу равным Кт = 14 для прямозубых передач и Кт = 11,2 - для косозубых [3]; К^ - интегральный расчетный коэффициент, который в проектных расчетах принимается равным К^ = 770 для стальных прямозубых колес и К^ = 675- для косозубых колес [3]; Ур^ - коэффициент формы зуба по ГОСТ 21354-87 [3]; ш^ - коэффициент ширины венца сателлита; еб - коэффициент перекрытия рабочих зацеплений "g21 - Ъ^;
[у р ] - допускаемое напряжение для материала зубьев сателлита на из-
g 2
гиб, МПа; [у н, ] - допускаемое напряжение на контактную выносливость
Ъ2
для материала зубьев центрального колеса Ъ2, МПа; Кнб, Кнв,
Киу - коэффициенты нагрузки, учитывающие специфику её приложения.
Расчеты по формулам (4) подтверждают, что, например, при гах = 105; Zg1 = 49; 2ц = 203; 2«2 = 102; Zg 2 = 52; z¿2 = 206;
"«12 Н = 68,7; Т Ъ2 = 1500 Н • м; ] = 500 МПа; [ан ] = 1100 МПа;
еб = 1,8; аС1 = аС2 = 5; УрЕ 2 = 3,8; Кт = Кнв = Кт = 1 расчётные модули зацеплений составляют тр = 0,8 мм, а тн = 0,7 мм, а поэтому проектный модуль целесообразно принять т = 1 мм. Удельная масса привода составляет при этом дм < 0,01...0,015 кг/Нм, что ниже лучших образцов
мирового уровня.
Коаксиальное расположение главных осей электродвигателя, передаточного механизма и запорной арматуры, короткая двухступенчатая кинематическая цепь, оптимальная разбивка общего передаточного числа
между ступенями (и~ 3,0; и^ ~ 22,9), минимальная металлоёмкость,
высокий КПД, универсальность в одном габарите, технологичность изготовления выдвигают рассматриваемый электропривод в разряд высококонкурентных образцов на мировом рынке.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Список литературы
1. Двухступенчатая планетарная передача: пат. 2402707 Рос. Федерация. № 2008139793/11; заявл. 08.10.2008; опубл. 27.10.2010, Бюл. № 30.
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. Pashin, 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, [email protected],
Н.В. Красковский, асп., [email protected],
Я.Р. Кадыров, асп., (962) 923-74-88, [email protected]
(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;
