Область техники

Изобретение относится к устройствам запорной арматуры и предназначено для открытия и закрытия потока текучей среды в трубопроводе. Оно может быть использовано в промышленности и в быту.

Предшествующий уровень техники

Ближайшим аналогом заявленного технического решения является задвижка, описанная в патенте US4013423, дата подачи 24.10.1974. Устройство содержит корпус, состоящий из станины и крышки. В станине выполнены два патрубка. Также в станине размещён запорный элемент, он выполнен с возможностью закрывать или открывать поток текучей среды между патрубками корпуса.

При необходимости открыть задвижку запорный элемент приводят в движение, прикладывая к нему усилие. Однако вследствие накопления в корпусе песка, смолистых отложений, солей, окислов и тому подобных субстанций, а также перекосов корпуса усилие может оказаться меньше, чем сила трения запорного элемента о корпус. В таком случае наступает заклинивание задвижки.

Недостатком известной задвижки является большое усилие привода при открытии и высокая вероятность заклинивания запорного элемента в корпусе, то есть низкая надёжность задвижки.

Раскрытие изобретения

Таким образом, технической задача, на решение которой направлено настоящее техническое решение, состоит в устранении вышеотмеченных недостатков. Положительный эффект, достигаемый при реализации изобретения, заключается в уменьшении усилия привода при открытии задвижки и повышении надежности работы задвижки.

Для решения поставленной технической задачи с достижением положительного эффекта изменена конструкция известного устройства. В конструкцию известной задвижки дополнительно введён линейный шаговый стрикционный электродвигатель, состоящий из бегуна, расположенного в канале запорного элемента. Направление канала запорного элемента совпадает с направлением перемещения запорного элемента при открытии или закрытии задвижки. Бегун соединён с корпусом при помощи штока. Бегун состоит из соединённых последовательно передней стрикционной распорной секции, ходовой стрикционной секции и задней стрикционной распорной секции.

Ходовая стрикционная секция выполнена с возможностью увеличения своей длины в направлении перемещения запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения, а также восстановления своей длины в том же направлении при её отключении от источника электрического напряжения.

Передняя стрикционная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при её отключении от источника электрического напряжения.

Задняя стрикционная распорная секция выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения а также растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции в канале запорного элемента при её отключении от источника электрического напряжения.

Стрикционные секции бегуна подключают к источнику электрического напряжения и отключают от него в определённой последовательности. Переднюю стрикционную распорную секцию подключают к источнику напряжения, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции затормаживается в запорном элементе. Ходовую стрикционную секцию подключают к источнику, в результате чего она увеличивает свою длину в направлении перемещения запорного элемента. Заднюю стрикционную распорную секцию подключают к источнику, в результате чего задний конец ходовой стрикционной секции затормаживается в запорном элементе. Переднюю стрикционную распорную секцию отключают от источника, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции растормаживается в запорном элементе. Ходовую стрикционную секцию отключают от источника, в результате чего она восстанавливает (уменьшает) свою длину в направлении перемещения запорного элемента. При этом запорный элемент, будучи плотно соединённым с задней стрикционной распорной секцией, перемещается на некоторое расстояние относительно корпуса. Переднюю стрикционную распорную секцию вновь подключают к источнику напряжения. Заднюю стрикционную распорную секцию отключают от источника напряжения.

Последовательность подключения и отключения стрикционных секций бегуна повторяют вышеописанным образом, в результате чего запорный элемент движется в направлении открытия задвижки. Его движение состоит из коротких периодов поступательного движения и коротких периодов неподвижного состояния, которые составляют продольные колебания запорного элемента, или продольную вибрацию.

При затормаживании и расгормаживании передней и задней стрикционных распорных секций в запорном элементе его материал приобретает быстрые поперечные колебания (вибрацию) относительно направления своего перемещения. Такие вибрации следуют из принципа работы линейных шаговых стрикционных электродвигателей и являются неотъемлемой частью их рабочего процесса. Как продольная, так и поперечная вибрация запорного элемента способствует уменьшению трения при скольжении запорного элемента в направляющих станины корпуса. В результате этого появляется возможность открыть задвижку, или же существенно уменьшить силу привода.

За счет новой конструкции устройства удаётся уменьшить усилие привода при открытии задвижки и уменьшить вероятность заклинивания запорного элемента в корпусе при наличии в нём песка, смолистых отложений, солей, окислов и тому подобных субстанций, а также перекосов.

Описание фигур чертежей

Указанные преимущества изобретения, а также его особенности поясняются лучшими вариантами выполнения со ссылками на чертежи.

Фиг.1 изображает продольный разрез задвижки в закрытом состоянии. Бегун линейного шагового стрикционного электродвигателя расположен в запорном элементе. Запорным элементом является параллельный затвор. В стрикционных секциях бегуна применён пьезоэлектрический материал и электроды.

Фиг.2 изображает продольный разрез задвижки, изображённой на фиг.1 в открытом состоянии.

Фиг.З изображает продольный разрез задвижки в закрытом состоянии. Бегун линейного шагового стрикционного электродвигателя расположен в запорном элементе. В качестве запорного элемента применён клин. В стрикционных секциях бегуна применены стержни из магнитострикционного материала и катушки индуктивности.

Фиг.4 изображает поперечный разрез задвижки, изображённой на фиг.З.

Фиг.5 изображает бегун стрикционного электро двигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами в той проекции, в которой он изображён на фиг.1.

Фиг.6 изображает бегун стрикционного электродвигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами в проекции, ортогональной к виду на фиг.5. Фиг.7 изображает бегун стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности в той проекции в которой он изображён на фиг.З.

Фиг.8 изображает бегун стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности в проекции, ортогональной к виду на фиг.7.

Лучший вариант осуществления изобретения

Задвижка, изображённая на фиг.1 , содержи! корпус 1 , состоящий из станины 2 и крышки 3. В станине 2 выполнены два патрубка, позиции 4 и 5. Также в станине 2 размещён запорный элемент, он выполнен в виде параллельного затвора 6. Параллельный затвор 6 выполнен с возможностью закрывать или открывать поток текучей среды между патрубками 4 и 5 корпуса 1. Приводной шток 7 закреплён на крышке 3 корпуса 1 . Приводной шток 7 выполнен с возможностью воспринимать усилие, необходимое для перемещения параллельного затвора 6 при закрытии или открытии потока текучей среды между патрубками 4 и 5.

В параллельном затворе 6 выполнен канал 9. Направление канала 9 совпадает с направлением перемещения параллельного затвора 6 при открытии или закрытии задвижки.

Линейный шаговый стрикционный электродвигатель состоит из бегуна 8, расположенного в передней части канала 9 параллельного затвора 6. Бегун 8 изображён в неразрезанном виде. Передняя часть бегуна 8 соединена с приводным штоком 7. Проводом 10 бегун 8 соединён со станцией управления электрическим напряжением 1 1.

Между крышкой 3 корпуса 1 и параллельным затвором 6 расположена деформируемая трубчатая оболочка, выполненная в виде сильфона 29. Шток 7 расположен внутри сильфона 29. Один кольцевой край сильфона 29 герметично закреплён на крышке 3, другой кольцевой край сильфона 29 герметично закреплён на параллельном затворе 6 с образованием общей герметичной внутренней полости сильфона 29 и канала 9

К внутренней герметичной полости, образованной каналом 9 и сильфоном 29 при помощи герметичного прохода 30 присоединена внутренняя полость герметичного компенсатора объёма 31. Компенсатор обьёма 31 выполнен в виде герметичной оболочки, например, в виде сильфона. Компенсатор обьёма .31 может быть изготовлен из металла или неметаллического материала. . Канал 9, сильфон 29, герметичный проход 30 и компенсатор объёма 31 могут быть полностью или частично заполнены жидкостью, в частности, полиметилсилоксановой жидкостью, перфторметилдекалином. трансформаторным маслом или иной диэлектрической жидкостью.

На фиг.2 представлен продольный разрез задвижки, изображённой на фиг.1 , но в открытом состоянии. Бегун 8 расположен в задней части канала 9 параллельного затвора 6. Бегун 8 изображён в неразрезанном виде. Сильфон 29 сжат, компенсатор объёма 1 растянут.

Задвижка, изображённая на фиг.З, содержит корпус 1 , состоящий из станины 2 и крышки 3. В станине 2 выполнены два патрубка, позиции 4 и 5. Также в станине 2 размещён запорный элемент, он выполнен в виде клина 12. Клин 12 выполнен с возможностью закрывать или открывать поток текучей среды между патрубками 4 и 5 корпуса 1. Приводной шток 7 закреплён на крышке 3 корпуса 1. Приводной шток 7 выполнен с возможностью воспринимать усилие, необходимое для перемещения клина 12 при закрытии или открытии потока текучей среды между патрубками 4 и 5.

Линейный шаговый стрикционный электродвигатель состоит из бегуна 13. расположенного в передней части канала 9 клина 12. Бегун 13 изображён в неразрезанном виде. Передняя часть бегуна 13 соединена с приводным штоком 7. Проводом К) бегун 13 соединён со станцией управления электрическим напряжением 1 1.

На фиг.4 представлен поперечный разрез задвижки, изображённой на фиг.З Канал с расположенным в нём бегуном закрыт пластиной трения 14.

Вместо параллельного затвора 6 (фиг.1 ) или клина 12 (фиг.З) в задвижке шиберного типа в качестве запорного элемента применён шибер. Поскольку толщина шибера меньше минимального габаритного размера линейного шагового с грикционного электродвигателя, в таком устройстве этот электродвигатель размещён на той части шибера, которая не входит в пазы (салазки) корпуса 1 при закрытии задвижки а расположен ближе к крышке 3. В остальном конструкция и работа такой задвижки не отличается от конструкции и работы параллельной задвижки.

Бегун 8 стрикционного электродвигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами представлен на фиг.5 в той проекции, в которой он изображён на фиг.1 . Бегун 8 состоит из передней стрикционной распорной секции 15, ходовой стрикционной секции 16 и задней стрикционной распорной секции 17. В каждой секции расположены актуаторы, собранные из пластин пьезоэлектрического материала 18 и электродов 19 Сборка и все соединения актуатора выполнены по известному из уровня техники правилу, с учётом чередования направления поляризации пластин пьезоэлектрического материала 18 по высоте (длине) актуатора. В каждой распорной секции 15 и 1 7 может быть расположено несколько актуаторов параялельно.

Передняя стрикционная распорная секция 15 выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при её отключении от источника электрического напряжения. Передняя стрикционная распорная секция 15 соединена с корпусом 1, с его крышкой 3.

Ходовая стрикционная секция 16 выполнена с возможностью увеличения своей длины в направлении перемещения запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения, а также восстановления своей длины в том же направлении при её отключении от источника электрического напряжения.

Задняя стрикционная распорная секция 17 выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 16 в канале 9 запорного элемента при её отключении от источника электрического напряжения.

Бегун 8 стрикционного электродвигателя с пьезоэлектрическим материалом и электродами, изображенный на фиг.5, но в ортогональной проекции, представлен на фиг.6.

Для перемещения запорного органа задвижки может быть применён стрикционный электродвигатель, имеющий бегун с электрострикционым материалом. В этом случае бегун имеет конструкцию, аналогичную бегуну 8 с пьезоэлектрическим материалом.

Бегун 13 стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности представлен на фиг.7 в той проекции, в которой он изображён на фиг.З. Бегун 13 состоит из передней стрикционной распорной секции 20, ходовой стрикционной секции 21 и задней стрикционной распорной секции 22. В каждой секции расположены актуаторы, выполненные из стержней магнитострикционного материала 23 и катушками индуктивности 24. В каждой распорной секции 20 и 22 может быть расположено несколько актуаторов параллельно.

Бегун 13 стрикционного электродвигателя со стержнями из магнитострикционного материала и катушками индуктивности, изображенный на фиг.7, но в ортогональной проекции, представлен на фиг.8. Бегун 13 состоит из соединённых последовательно передней стрикционной распорной секции, ходовой стрикционной секции и задней стрикционной распорной секции.

Передняя стрикционная распорная секция 20 выполнена с возможностью затормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при её подключении тс источнику электрического напряжения а также растормаживать передний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при её отключении от источника электрического напряжения. Передняя стрикционная распорная секция 20 соединена с корпусом 1, с его крышкой 3.

Ходовая стрикционная секция 21 выполнена с возможностью увеличения своей длины в направлении перемещения запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения, а также восстановления своей длины в том же направлении при её отключении от источника электрического напряжения.

Задняя стрикционная распорная секция 22 выполнена с возможностью затормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при её подключении к источнику электрического напряжения, а также растормаживать задний конец ходовой стрикционной секции 21 в канале 9 запорного элемента при её отключении от источника электрического напряжения.

Устройство работает следующим образом.

У задвижки, изображённой на фиг.1 и 2 стрикционные секции бегуна 8 при посредстве станции управления электрическим напряжением 1 1 подключают к источнику электрического напряжения и отключают от него в определённой последовательности. Вначале переднюю стрикционную распорную секцию 15 подключают к источнику напряжения, в результате чего на электродах 19 (фиг.5) её актуатора возникает электрический потенциал. Этот электрический · потенциал создаёт в пластинах пьезоэлектрического материала 18 её актуатора электрическое поле, отчего пластины 18 стремятся увеличить свою толщину. Однако, в силу жёсткости конструкции распорной секции 15 она распирается в канале 9 (фиг.1 и 2) параллельного затвора 6. Соответственно передний конец ходовой стрикционной секции 16 затормаживается в параллельном затворе 6.

Ходовую стрикционную секцию 16 подключают к источнику напряжения, в результате чего на электродах 19 (фиг.5 и 6) её актуатора возникает электрический потенциал. Этот электрический потенциал создаёт в пластинах пьезоэлектрического материала 18 её актуатора электрическое поле, отчего пластины 18 увеличивают свою толщину. Соответственно, ходовая стрикционная секция 16 увеличивает свою длину в сторону, противоположную крышке 3 в направлении перемещения параллельного затвора 6 при открытии или закрытии задвижки (фиг.1 и 2).

Заднюю стрикционную распорную секцию 17 подключают к источнику напряжения, в результате чего на электродах 19 (фиг.5) её актуатора возникает электрический потенциал. Этот электрический потенциал создаёт в пластинах пьезоэлектрического материала 18 её актуатора электрическое поле, отчего пластины 18 стремятся увеличить свою толщину. Однако, в силу жёсткости конструкции распорной секции 17 она распирается в канале 9 (фиг.1 и 2) параллельного затвора 6. Соответственно задний конец ходовой стрикционной секции 16 (фиг.5 и 6) затормаживается в параллельном затворе 6 таким же образом, как был заторможен её передний конец.

Переднюю стрикционную распорную секцию 15 отключают от источника напряжения, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции 16 растормаживается в параллельном затворе 6 - секция 15 перестаёт давить на стенки канала 9 изнутри. Ходовую стрикционную секцию 16 отключают от источника напряжения, в результате чего она восстанавливает (уменьшает) свою длину. При этом параллельный затвор 6, будучи в данное мгновение плотно соединённым с задней стрикционной распорной секцией 17, перемещается на некоторое расстояние относительно корпуса 1 в сторону крышки 3. Переднюю стрикционную распорную 15 секцию вновь подключают к источнику напряжения. Заднюю стрикционную распорную 17 секцию отключают от источника напряжения.

Последовательность электрического подключения и отключения етрикционных секций бегуна 8 повторяют вышеописанным образом, в результате чего параллельный затвор 6 движется в направлении открытия задвижки, то есть в сторону крышки 3. При затормаживании и растормаживании передней 15 и задней 17 етрикционных распорных секций в канале 9 (фиг.1 и 2) параллельного затвора 6 его материал приобретает быстрые поперечные колебания (вибрацию) относительно направления своего перемещения. При удлинении и сокращении ходовой секции 16 в материале параллельного затвора 6 возникает продольная вибрация. Вибрации следуют из принципа работы шаговых етрикционных электродвигателей и являются неотъемлемой частью их рабочего процесса. Как продольная, так и поперечная вибрация параллельного затвора 6 способствует уменьшению трения при его скольжении в направляющих станины 2 корпуса 1. В результате этого появляется возможность открыть задвижку, или же существенно уменьшить силу привода.

Сильфон 29 сжимается вдоль своей продольной оси при движении параллельного затвора 6 в направлении открытия задвижки, то есть в направлении крышки 3. Если канал 9 и внутренняя полость сильфона 29 заполнены жидкостью, то при сжатии сильфона 29 излишний объём этой жидкости по герметичному проходу 30 перетекает в компенсатор объёма 31 , растягивая его оболочку.

Когда при таком движении параллельного затвора 6 он доходит до положения, при котором просвет между патрубками 4 и 5 оказывается полностью открытым, станция управления электрическим напряжением 1 1 перестаёт осуществлять периодическое подключение секций 15, 16 и 17 (фиг.5 и 6) к источнику электрического напряжения и отключение от него. Она обеспечивает постоянное соединение по меньшей мере одной из распорных секций 15, 17 с источником, удерживая параллельный затвор 6 в положении, соответствующем открытой задвижке.

Для закрытия задвижки применяют аналогичную последовательность действий. Отличие состоит в том, что последовательность подключения передней стрикционной распорной секции 15 к источнику электрического напряжения и отключения от него, применявшуюся для открытия задвижки, для её закрытия применяют к задней стрикционной распорной секции 17. А последовательность подключения и отключения задней стрикционной распорной секции 17, применявшуюся для открытия задвижки, для её закрытия применяют к передней стрикционной распорной секции 15.

Сильфон 29 (фиг.1 и 2) растягивается вдоль своей продольной оси при движении параллельного затвора 6 в направлении закрытия задвижки. Если канал 9 и внутренняя полость сильфона 29 заполнены жидкостью, то при требуемый при растяжении сильфона 29 дополнительный объём жидкости по герметичному проходу 30 перетекает из компенсатора объёма 31 , сжимая его оболочку.

У задвижки, изображённой на фиг.З и 4 стрикционные секции бегуна 13 при посредстве станции управления электрическим напряжением 11 подключают к источнику электрического напряжения и отключают от него в определённой последовательности. Вначале переднюю стрикционную распорную секцию 20 подключают к источнику напряжения, в результате чего в её катушке индуктивности 24 (фиг.7) возникает электрический ток. Электрический ток создаёт в стержне магнигострикционного материала 23, вокруг которого расположена эта катушка, магнитное поле, отчего стержень 23 стремится увеличить свою длину. Однако, в силу жёсткости конструкции распорной секции 20 он распирается в канале 9 (фиг.З и 4) клина 12. Соответственно передний конец ходовой стрикционной секции 21 затормаживается в клине 12.

Ходовую стрикционную секцию 21 подключают к источнику напряжения, в результате чего в её катушке индуктивности 24 (фиг.7 и 8) возникает электрический· ток. Электрический ток создаёт в стержне магнитосгрикционного материала 23, вокруг которого расположена эта катушка, магнитное поле, отчего стержень 23 увеличивает свою длину. Соответственно, ходовая стрикционная секция 2 ! увеличивает свою длину в сторону, противоположную крышке 3 в направлении перемещения параллельного затвора 6 при открытии или закрытии задвижки (фиг.З и 4).

Заднюю стрикционную распорную секцию 22 подключают к источнику напряжения, в результате чего в её катушке индуктивности 24 (фиг.7) возникает электрический ток. Электрический ток создаёт в её стержне магнитосгрикционного материала 23, вокруг которого расположена эта катушка, магнитное поле, отчего стержень 23 стремится увеличить свою длину. Однако, в силу жёсткости конструкции распорной секции 22 он распирается в канале 9 (фиг.З и 4) клина 12. Соответственно задний конец ходовой стрикционной секции 21 затормаживается в клине 12 таким же образом, как был заторможен её передний конец.

Переднюю стрикционную распорную секцию 20 (фиг.7 и 8) отключают от источника напряжения, в результате чего передний конец ходовой стрикционной секции 21 растормаживается в клине 12 - секция 20 перестаёт давить на стенки канала 9 изнутри. Ходовую стрикционную секцию 21 отключают от источника напряжения, в результате чего она восстанавливает (уменьшает) свою длину. При этом клин 12, будучи в данное мгновение плотно соединённым с задней стрикционной распорной секцией 22, перемещается на некоторое расстояние относительно корпуса 1 в сторону крышки 3. Переднюю стрикционную распорную секцию 20 вновь подключают к источнику напряжения. Заднюю стрикционную распорную секцию 22 отключают от источника напряжения.

Последовательность подключения и отключения стрикционн х секций бегуна 13 повторяют вышеописанным образом, в результате чего клин 12 движется в направлении открытия задвижки, то есть в сторону крышки 3. При затормаживании и растормаживании передней 20 и задней 22 стрикционных распорных секций в канале 9 (фиг.З и 4) клина 12 его материал приобретает быстрые поперечные колебания (вибрацию) относительно направления своего перемещения. При удлинении и сокращении ходовой секции 21 в материале клина 12 возникает продольная вибрация. Как продольная, так и поперечная вибрация клина 12 способствуют уменьшению трения при его скольжении в направляющих станины 2 корпуса 1. В результате этого появляется возможнос ть открыть задвижку, или же существенно уменьшить силу привода.

Когда при таком движении клина 12 он доходит до положения, при котором просвет между патрубками 4 и 5 оказывается полностью открытым, станция управления электрическим напряжением 1 1 перестаёт осуществлять периодическое подключение секций 20, 21 и 22 (фиг.7 и 8) к источнику электрического напряжения и отключение от него. Она обеспечивает постоянное соединение по меньшей мере одной из распорных секций 20, 22 с источником, удерживая клин 12 в положении, соответствующем открытой задвижке.

Для закрытия задвижки применяют аналогичную последовательность действий. Отличие состоит в том, что последовательность подключения к источнику электрического напряжения и отключение от него передней стрикционной распорной секции 20. применявшейся для открытия задвижки для закрытия применяют к задней стрикционной распорной секции 22. А последовательность подключения к источнику электрического напряжения и отключение от него задней стрикционной распорной секции 22, применявшейся для открытия задвижки, для закрытия применяют к передней стрикционной распорной секции 20.

Использование в промышленности

Наиболее успешно заявленное устройство может быть использовано в промышленности в системах трубопроводного транспорта и в быту.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченны по объему только нижеследующей формулой изобретения.