Владелец патента: Акционерное общество «Инженерный центр судостроения».
Автор: Вакулов Павел Сергеевич.
В новом выпуске журнала «Вестник арматуростроителя» мы продолжаем рубрику «Обзор патентов», в которой описываем новейшие разработки в области производства трубопроводной арматуры, получившие официальную регистрацию. Сегодня речь пойдет о патенте RU196411U1 на многопозиционное запорно-регулирующее устройство, которое было спроектировано с упрощенной конструкцией и повышенными точностью и надежностью позиционирования.
Полезная модель относится к устройствам позиционирования, которые меняют положения передвижения запорно-регулирующего элемента трубной арматуры при регулировании потока флюида, содержащего нефть, газ и другие примеси. Изделие может быть применено в машиностроении и химической промышленности.
Указанные свойства новинки обеспечиваются за счет того, что в корпусе устройства находятся система управления и сильфонный привод, который гарантирует дискретное перемещение регулируемого дросселя в целях изменения эффективной площади выходного отверстия. Стоит отметить, что привод в данном случае оснащен регулируемым упором со ступенчатым торцом, обращенным к подвижной опоре, закрепленной на нем. Упор выполнен с цилиндрической наружной поверхностью и нарезкой червячного колеса на ней, а механизм установки упора создан в виде червяка с электроприводом и зубчатой передачей, кинематически связанной с показывающим прибором за пределами корпуса. При этом неподвижная опора снабжена бесконтактными индукционными датчиками положения упора, связанными с системой управления.
В устройствах трубной арматуры часто используются механизмы дискретного регулирования положения запорно-регулирующих элементов арматуры. Например, секторный шаровой кран, дросселирующее устройство, шиберный регулируемый затвор и другие. Дискретность может быть от плавного регулирования до ступенчатого с шагом от 0,1 до нескольких мм в большом диапазоне. Чаще всего это электроприводы со следящими приводами, которые хорошо встраиваются в автоматизированную систему управления транспортирования продуктов по трубным системам, но считаются сложными в связи с особенностями конструкции и обслуживания.
Дискретные гидро- и пневмоприводы более «простые», чем следящие приводы, но они в основе своей имеют систему «поршень-цилиндр», что также и достаточно дорогое в изготовлении оборудование, но менее чувствительное к чистоте рабочей жидкости, изменению уровня управляющего сигнала и колебаниям давления источника питания. Технической проблемой в большинстве практических задач по долговременной эксплуатации трубной арматуры является время длительного выстоя в дискретных приводах, которое усложняет процесс страгивания запорно-регулирующего элемента арматуры после длительной паузы без движений. Страгивание, а также возникающие наросты компонентов из прокачиваемого продукта на кромках проходных отверстий, например дросселирующих устройств, мешающих штатной работе арматуры, должны быть удалены при транспортировке.
Новая разработка, о которой мы рассказываем в данной статье, позволяет снизить себестоимость приводов дросселей, обеспечивающих большой (около 1000 циклов) потенциал срабатываний привода, и гарантировать простоту в производстве и в процессе эксплуатации в системах управления транспортированием жидкостей и газа под высоким давлением (до 34,5 МПа), где нет возможности технического обслуживания оборудования.
Изделие представляет собой угловой корпус с фланцевыми концевыми входом и выходом для флюида, сильфонные сборки и управляемый позиционный упор, роль дискретного привода дросселя (обеспечивает точное силовое позиционирование золотника и удерживает данное положение в течение требуемого промежутка времени). Кроме того, здесь организована система сильфонных сборок, которые собраны с одной стороны на одной неподвижной опоре, а другие подвижные жестко соединены между собой стяжками для взаимной работы. Сам дроссель состоит из щелевого зазора, образованного между гильзой и золотником цилиндрической формы с радиальными проходными отверстиями, расположенными под тупыми углами между собой и входом в них, которые перекрываются от взаимного осевого перемещения, формируя необходимый расход продукта за счет работы сильфонной сборки привода.
Для более наглядного представления об изделии предлагаем посмотреть на иллюстрации, размещенные в статье. Так, на рисунке 1 изображен дроссель с приводом в разрезе в положении позиции «Открыто», на рисунке 2 – система расположения бесконтактных датчиков, на рисунке 3 – червячный привод смены позиций регулируемого упора как от электропривода, так и механического с помощью ТНПА (телеуправляемого необитаемого подводного аппарата). Рисунок 4 показывает устройство дросселя, на пятом можно увидеть световую индикацию положений регулируемого упора, а на рисунке 6 – механическая индикация положений регулируемого упора.
Обозначения на рисунках 1-6: 1 – корпус-входное отверстие; 2 – гильза из твердого сплава; 3 – входной канал; 4 – золотник из закаленной стали; 5 – наклонное входное отверстие на гильзе; 6 – наклонное выходное отверстие на золотнике; 7 – корпусная опора с уплотнением; 8 – шпилька с гайками; 9 – фланец с направляющим патрубком; 10 – червяк; 11 – регулируемый упор; 12 – подвижная опора; 13 – бесконтактный индукционный датчик положения упора; 14 – сильфон приводной; 15 – сильфон с броне кольцами; 16 – упор-направляющая; 17 – фланец; 18, 19 – каналы; 20 – болтовое соединение; 21 – тяги; 22 – фланец с дистанционным стаканом; 23 – сильфон; 24 – упор; 25 – фланец подвижный; 26, 27 – патрубки; 28 – шпонка; 29 – гайка; 30 – винт грузовой; 31 – фланец опорный; 32 – опора винта; 33 – болт; 34 – квадрат грузового винта; 35 – интерфейс; 36 – указатель; 37, 38 – неподвижные фланцы; 39 – интерфейс положения упора; 40 – привод механизма установки упора; 41 – червячный вал с квадратами; 42 – циферблат; 43 – корпус-выходное отверстие; 44 – держатель магнита; 45 – магнит; 46 – электропривод; 47 – корпус зубчатой передачи; 48 – большое коническое зубчатое колесо; 49 – малое зубчатое коническое колесо; 50 – балка направляющая; 51 – сферическая шайба; 52 – шайба направляющая; 53 – болт с разрезной шайбой; 54 – диодный источник света позиции упора; 55 – шестеренка ведущая; 56 – шестеренки; 57 – корпус редуктора; 58 – циферблат; 59 – стрелка; 60 – позиция положения упора.
Многопозиционное запорно-регулирующее устройство работает следующим образом. Перед началом эксплуатации в трубопроводных системах оно устанавливается в положение «Открыто». Специалисты измеряют параметры пропущенного продукта через дроссель на выходе, и только тогда система управления получает необходимую информацию о пропускаемой среде и начинает формировать управляющую команду для обеспечения плановой эксплуатации трубопровода или других систем. Положение дросселя «Открыто» соответствует сигналу от датчиков положения позиции Х1. Все датчики положений дросселя показаны на рисунке 2, где нечетные позиции (Х1, Х3, Х5 и Х7) показаны на рисунке 2а, а четные (Х2, Х4, Х6 и Х8) – на рисунке 2б. Позиция «0» соответствует исходному положению опоры 12, которая не мешает смене позиций регулируемого упора 11 со ступенчатым торцом. При смене позиций (ступеней торца) регулируемого упора 11, например, с позиции Х1 на позицию Х4, необходимо вывести опору 12 в позицию «0». Для этого подается управляющее давление гидрожидкости в полость сильфона 23 через канал 19. Сильфон 23 своей подвижной частью соединен с фланцем подвижным 25, который под воздействием гидрожидкости начинает движение вправо до упора патрубка 27 в опору винта 32. В тоже время это движение передается через тяги 21 на подвижную опору 12, к которой приварен одним торцом сильфон 14. Сильфон 14 начинает сжиматься и выдавливает из полости сильфона гидрожидкость в гидросистему через канал 18.
Вместе с этим опора 12 приходит в упор с направляющей 16, что соответствует позиции «0» положения датчиков. Получив сигнал от датчика «0», система управления создает команду на привод 46 на отработку расчетного числа оборотов, которое учитывает передаточное число червячной передачи и на какой угол необходимо повернуть при смене позиций регулируемого упора 11 с выходом на позицию Х4. Привод 46 приступает к команде и обеспечивает необходимое число оборотов червячного вала 10, который вращает червячное колесо, которое является конструктивной частью регулируемого упора 11 (на наружной цилиндрической поверхности выполнена нарезка червячного колеса). Регулируемый упор 11 встал на позицию Х4. Система управления формирует следующую команду на завершение процесса регулировки и настройки и подает управляющее давление гидрожидкости в полость сильфона 14 через канал 18. Под воздействием гидрожидкости начинается движение опоры 12 до упора с регулируемым упором 11, а с датчика положения приходит сигнал подтверждения о выполнении команды и нахождения регулируемого упора 11 в позиции Х4 дросселя. В тоже время это движение передается через тяги 21 на подвижный фланец 25, к которому приварен одним торцом сильфон 23. Сильфон 23 начинает сжиматься и выдавливает из полости сильфона гидрожидкость в гидросистему через канал 19. Регулировка и настройка дросселя по отработке команды выполнена. Также можно увидеть подтверждение нахождения дросселя на позиции Х4 по указателю 36 на циферблате 42 показывающего прибора.
С помощью системы управления ТНПА, ориентируясь на интерфейс 35, привод дросселя выводится в исходное положение позиции «0» посредством вращения квадрата 34 винтовой пары «винт-гайка» соответственно 30-29 до соприкосновения в осевом направлении шпонки 28 с торцем шпоночного паза на патрубке 27 и доводящим движением до контакта последнего с опорой винта 32. Это движение передается через тяги 21 на подвижную опору 12, к которой приварен одним торцом сильфон 14. Сильфон 14 начинает сжиматься и выдавливает из полости сильфона гидрожидкость в гидросистему через канал 18. Далее действует датчик 13 положение позиции «0». Команда по выводу привода в исходное положение выполнено. На следующем этапе ТНПА переходит к интерфейсу 39. В режиме телевизионного осмотра оператор сверяет положение регулируемого упора 11, которое отображается на циферблате 42 стрелкой 36 и после формирования нужной позиции регулируемого упора 11 начинает вращать квадрат 40, отрабатывая необходимое число оборотов исходя из передаточного отношения всего механизма, требуемого для вывода необходимой позиции регулируемого упора 11 под опору 12. Визуально отслеживание положения по циферблату 42. Таким образом реализуется вторая часть общей программы. В завершающей части ТНПА вновь переходит к интерфейсу 35 и вращением квадрата 34 вращают в обратную сторону, чтобы обеспечить контакт гайки 29 с торцом подвижного фланца 25 и доводящим движением до контакта с регулируемым упором 11 и подтверждающим сигналом от датчиков 13 нужной позиции. Таким образом, механическое переключение позиций дросселя завершено.
С потоком рабочей среды из трубопровода происходит несколько деформаций в устройстве, которое собрано из четырех частей: собственно корпуса 1, корпусной втулки 2, золотника 4 и выходного отверстия 43. В корпусе 1 происходит плавное сужение потока конической поверхностью, которое стабилизируется цилиндрической поверхностью. Затем поток рабочей среды встречается с цилиндрической поверхностью с повышенной твердости для разделения потока на два рукава, обтекаемые цилиндрическую поверхность с двух сторон, принимая на себя удар включений различных примесей продукта, которые производят абразивное изнашивание корпусной втулки 2. Далее каждый поток сужается и формируется в замкнутое кольцо-цилиндр между корпусом 1 и корпусной втулкой 2, из которого под углом β к образующей цилиндра поток направляется в дросселирующие отверстия, изменяя направление потока по двум векторам в одной плоскости, получая вектор направления на выходное отверстие 43 дросселя. Так, поток идет по касательной встречаемых поверхностей и на выходе равномерно увеличивается диаметр благодаря длинной конической поверхности. Затем поток стабилизируется на цилиндрической поверхности и перед выходом в трубопровод он еще раз плавно увеличивается в диаметре благодаря длинной конической поверхности, что обеспечивает изменение параметров потока.
Литература
Многопозиционное запорно-регулирующее устройство RU196411U1 [Электронный ресурс] // Яндекс.Патенты. URL: https:// yandex.ru/patents/doc/RU196411U1_20200228 (дата обращения: 13.05.2020).
