Приводы трубопроводной арматуры для пищевой промышленности - виды, достоинства и особенности применения

Технологическое оборудование совершенствуется по нескольким направлениям. Одно из них – механизация и автоматизация производственных процессов во всех отраслях. В частности, дистанционное управление трубопроводной арматурой для пищевой промышленности. Чтобы успешно решить такую задачу, используются различные приводы. Их применение является экономически выгодным, поскольку снижает затраты и улучшает условия труда. Это особенно важно в тех случаях, когда расстояние до управляемых объектов относительно большое.

История появления привода

Для приведения в действие различных механизмов, веками использовалась сила мускулов. Это было нормально, а главное, большего и не требовалось. Но техническая революция XIX века привела к интенсификации производства. На смену рабочим пришли механизмы.

Во второй половине ХХ века возможностей человека часто было уже недостаточно для эффективного управления машинами. Это хорошо иллюстрирует пример с устройствами для управления потоком в системе трубопроводов. С одной стороны, пищевая арматура из нержавеющей стали или других материалов нередко оказывалась громоздкой, маховики вентилей с трудом поворачивались руками. Трубы прокладывались на больших площадях, даже с использованием транспорта требовалось относительно много времени для выполнения команд.

С другой стороны, тот же самый технический прогресс предоставил возможности решения проблемы. Появились электрические, пневматические и прочие двигатели. А позже – еще и системы управления. Все это было соответствующим образом использовано в промышленности. В том числе – для создания приводов трубопроводной арматуры.

Что такое привод и исполнительный механизм

В общем случае привод – это узел, передающий адресному устройству кинетическую или иную энергию, за счет чего оборудование начинает работать, машина – двигаться и т.п. В системе дистанционного управления и автоматического регулирования приводом называется агрегат, который используется для автоматизации и механизации процесса управления арматурой. По сигналу от внешнего источника, он открывает ее или закрывает, а также, при необходимости, определяет положение затвора.

В конструкции большинства приводов разного типа есть два важных элемента: силовой блок и редуктор. Силовой блок получает энергию от внешнего источника и преобразует ее в усилие, с помощью которого движется затвор. Например, в электроприводе это электрический двигатель. Он получает от сети энергию электрическую и преобразует ее в механическую. Полученный на валу крутящий момент, через промежуточные детали, воздействует на шпиндель, за счет чего золотник опускается в седло и перекрывает трубу.

Редуктор нужен в тех случаях, когда надо снизить частоту вращения вала либо увеличить крутящий момент. Данный узел может быть зубчатый, волновой, планетарный, конический, червячный, цилиндрический, спироидный или комбинированный.

По поводу исполнительного механизма (ИМ), нередко встречается мнение, что это арматура, на которую воздействует привод. То есть, например, электромотор, это привод, а вентиль – ИМ. В других случаях считается, что ИМ – это мотор с вентилем. Лучший способ устранить разногласия - обратиться к нормативным документам.

В ГОСТ 24856 – 2014 сказано следующее. Привод, это

«Устройство для управления арматурой, предназначенное для перемещения запирающего элемента, а также для создания, в случае необходимости, усилия для обеспечения требуемой герметичности затвора».

А ИМ, это

«Устройство для управления арматурой, предназначенное для перемещения регулирующего элемента в соответствии с командной информацией, поступающей от внешнего источника энергии».

Эти определения позволяют сделать следующий вывод. Во-первых, привод или ИМ – это только мотор с редуктором, без вентиля. Во-вторых, привод и ИМ, это принципиально почти одно и то же. Различие в том, что первый используется на запорной арматуре, а второй – на регулирующей.

Выбор необходимого привода

Существует несколько основных параметров, с учетом которых выбирается конкретный привод для трубопроводной арматуры. Это назначение управляемого узла, а также интенсивность, с которой ему придется работать. Играет роль место установки арматуры, в частности, доступность обслуживания. Если она работает в связи с каким-либо другим оборудованием данного трубопровода, то на это тоже обращается внимание. И, наконец, далеко не последними являются экономические соображения.

Классификация приводов трубопроводной арматуры

По характеру движения передаточного звена, приводы бывают:

• Прямоходные (линейные). Выходной кинематический элемент совершает возвратно-поступательное движение, в которое преобразовывается крутящий момент вала. Для этого используется резьбовая втулка (ходовая гайка).

• Неполноповоротные (четвертьоборотные). Звено на выходе поворачивается менее, чем на один оборот. В большинстве случаев – на 90 град, хотя может быть и больше. Такие модели применяются для управления дисковыми затворами или шаровыми кранами.

• Многооборотные. Выходной элемент делает более чем один оборот. Подобные изделия служат для открывания и закрывания вентилей или шиберных заслонок.

Привод называется «местный», если он смонтирован на корпусе той арматуры, которой он управляет. Или «дистанционный», если располагается отдельно от нее.

По виду энергии, приводы делятся на:

• Ручные.

• Гидравлические.

• Пневматические.

• Электрические.

• Электромагнитные.

• Комбинированные.

К последней группе относятся конструкции, использующие одновременно два вида энергии, например, пневмогидравлические либо электрогидравлические.

Ручной привод

Ручным называется привод (рис. 1), в котором для управления арматурой используется сила мускулов. Часто такой элемент ставится в качестве дублирующего узла на механические приводы. Чтобы передать воздействие на оборудование, надо вращать маховик или повернуть рукоятку. Первый тип используется как многооборотный (в основном) или неполноповоротный, второй – только в последнем случае.

На крупногабаритной арматуре или на трубопроводах с высоким давлением рабочей среды нередко, для поворота шпинделя, нужен большой крутящий момент. Это проблема решается при помощи редуктора. Место установки арматуры с подобным приводом должно обеспечивать его удобное и безопасное обслуживание. Высота – не более 180 см., при частом применении – до 160 см.

Электрический привод

Электрический привод (ЭП) представляет собой агрегат, состоящий из электродвигателя, редуктора и блока управления. Может быть дублирующий ручной привод с маховиком и ограничители.

ЭП работают, в основном, с запорной арматурой. Для управления много- или неполнооборотными аппаратами с небольшими ДУ применяются ЭП с однофазными электромоторами переменного или постоянного тока. Для управляемых устройств покрупнее используются ЭП с трехфазными асинхронными двигателями.

По исполнению ЭП бывают общепромышленные и взрывозащищенные. По принципиальному устройству: фрикционные, фрикционно-кулачковые, электрические, электро-механические, электронные. Такие приводы используют для работы в любом режиме: редкий (несколько циклов в день), кратковременный (несколько десятков включений в час), регулирование (несколько сотен запусков в час).

Функциональность электропривода

ЭП для арматуры на трубопроводах должен обеспечивать:

• При нажатии на пульте управления соответствующих кнопок – открытие или закрытие внутреннего сечения трубы.

• При нажатии кнопки «Stop» - промежуточную остановку затвора.

• Если в положении «открыто-закрыто», крутящий момент на валу электромотора достиг критического значения – автоматическое выключение с помощью ограничительной муфты. То же самое – при аварийном заклинивании в процессе движения затвора к концевой точке.

• Сигнализирует о положениях запорного элемента или срабатывании ограничительной муфты.

• В крайних положениях затвора – автоматически отключается.

• На шкале местного указателя выдает информацию о крайних и промежуточных положениях запорного элемента. На пульте ДУ – показывает степень открытия затвора.

• Регулирует величину крутящего момента.

• Адаптирован для синхронизации с другими агрегатами.

Конструкция электропривода

ЭП имеет следующее устройство (рис. 2). Электродвигатель служит для получения электрической энергии и преобразования ее в механическую. Он может быть переменного или постоянного тока. Редуктор ставится для изменения крутящего момента. Силовые ограничители служат для предотвращения перегрузки и выхода из строя оборудования. Путевые выключатели определяют положение привод а и, при необходимости, отключают источник энергии. Возможно наличие демпфирующего тормоза, чтобы инерция движущихся деталей не влияла на арматуру.

Для крепления ЭП к арматуре обычно применяется фланцевое соединение. В этом случае обеспечивается, как жесткая связь корпусов ЭП и управляемого устройства, так и надежное соединение осей привода и арматуры, через муфту. Ручной привод нужен на случай отключения питания или проведения ремонтных работ. Указатель положения информирует о степени открытости затвора в данный момент времени.

Достоинства

• При помощи ЭП, любой арматурой можно управлять дистанционно, с диспетчерского центра. Он хорошо сочетается с современными системами управления: телеметрией, компьютерами и т.п.

• ЭП совместим с оборудованием практически всех ДУ, с его помощью можно добиться стабильного положения затвора.

• ЭП срабатывает достаточно быстро, даже если находится далеко от командного центра.

• ЭП легко монтируется, настраивается и перенастраивается, он прост в управлении.

• С помощью ЭП можно механизировать управление действующей арматуры с ручным приводом.

• При блокировке затвора, на пульт управления подается сигнал, автоматика отключает электромотор.

• При необходимости, ЭП может работать не только с запорной, но и с регулирующей арматурой.

Недостатки

Электрический привод не лишен недостатков. При нарушениях в снабжении энергией, его двигатель работать не будет. Если питание осуществляется от автономного источника, есть варианты, при которых такой привод не ставится. То же самое – на взрывоопасных объектах (даже не смотря на взрывозащищенное исполнение). Он чувствителен к высокой влажности и температуре окружающей среды. Кроме того, в его конструкции есть червячная пара. Это самотормозящий узел с низким КПД и сравнительно небольшим ресурсом. Прочие детали также изнашиваются быстрее, чем у приводов других типов. Поэтому для ЭП важное значение имеет регулярное обслуживание.

Электропривод обладает определенной инерционностью, поэтому для отсечной арматуры он не подходит. Если подача энергии будет отключена, а затвор в таком случае обязан занять одно из концевых положений, то ЭП в таких ситуациях использовать запрещено.

Пневматический привод

По распространенности пневмопривод (рис. 3) занимает второе место после электрического. Особенно популярен он на предприятиях с централизованной подачей сжатого воздуха. Используется, в основном, на линейных и неполноповоротных приводах, которые обычно применяются на запорной и отсечной арматуре. На регулирующую ставится нечасто. Источник энергии – компрессор. Энергоноситель - чаще всего воздух, другие газы используются редко.

По типу пневматические приводы бывают мембранные, лопастные, струйные, сильфонные и поршневые. По принципу действия – одно- и двухсторонние. По движению выходного элемента – поворотные и прямоходные. По компоновке: пневмоцилиндр (отдельное устройство) или вмонтированные в управляемую арматуру. По конструкции: с шатуном и неподвижным цилиндром или без шатунов с качающимся (поворачивающимся) цилиндром.

Достоинства

Пневматический привод отличается конструктивной и функциональной простотой, по сравнению с другими типами он более надежный и долговечный. Такое устройство дешевле электрического, его разрешено использовать на пожаро- и взрывоопасных объектах. Пневмопривод быстро срабатывает, способен обеспечить максимальный ход штока, для ограничения усилия достаточно снизить давление. Он обеспечивает точное регулирование параметров и плавный ход затвора. Гидроудары исключены, можно отслеживать превышение крутящего момента и управлять диапазоном скоростей.

Недостатки

Поскольку одним из параметров воздуха является высокая сжимаемость, то пневматы не слишком хорошо держат шпиндельную арматуру в заданном положении. Если детали поражены коррозией, то возникает опасность заклинивания. В случае замены арматуры на более крупную, потребление сжатого воздуха значительно возрастает.

Гидравлический привод

Гидравлическим называется привод, в котором источником энергии является жидкость (обычно это минеральное масло), подающаяся под напором.

По принципу действия гидроприводы (рис. 4) бывают объемные или гидродинамические, одно- или двухсторонние. По характеру движения элемента на выходе: поворотные и поступательные. По источнику, из которого берется рабочая жидкость: насосные, магистральные, аккумуляторные.

Достоинства

Гидропривод может подключаться к арматуре большого диапазона ДУ, в том числе настолько крупной, что усилия электро- или пневмопривода для нее недостаточно. Это компактное устройство способно создать большое давление рабочей среды. Такой привод характеризуется отсутствием гидроудара и плавностью хода. Крутящий момент легко регулируется изменением давления в источнике. На случай аварийной работы, в приводе всегда есть запас энергии.

Недостатки

Относительно большая себестоимость гидравлической энергии сдерживает распространение приводов данного типа. Место падения подобной энергии тяжело определить на расстоянии. Резкое потепление может нарушить работу устройств, расположенных вне помещений.

Надежность гидропривода в большой мере зависит от качества их обслуживания.

Электромагнитный привод

В приводе данного типа электрическая энергия преобразуется в механическую за счет взаимодействия магнитного поля с помещенным в него ферромагнитным сердечником.

По конструкции электромагнитные приводы (ЭМП, рис. 5) делятся на блочные и встроенные. По виду действия они бывают поворотные, толкающие, тянущие или реверсивные. По герметизации: сальниковые и бессальниковые. По виду тока: переменного (этих выпускают больше) и постоянного. Лучшими являются модели со встроенными выпрямителями. По количеству позиций выходного элемента: одно-, двух и многопозиционные.

По принципу работы ЭМП может быть непосредственного действия либо со встроенным пневмо- или гидроусилителем. Первый вариант предполагает создание усилия на выходном звене только за счет энергии магнитного поля. Во втором - добавляется энергия газа или жидкости в сжатом состоянии. Это более эффективно, так как снижается потребление электроэнергии, привод делается более компактным.

ЭМП может использоваться не только на запорной, но также и на регулирующей арматуре.

Достоинства

ЭМП работает быстро и с высокой точностью. Это компактное высокотехнологичное оборудование, которое, тем не менее, отличается простотой обслуживания. Механическая передача отсутствует, что повышает надежность аппарата. Его функциональный ресурс составляет несколько миллионов циклов. Совместимость с комплексами автоматизации процессов практически идеальная.

Недостатки

Пожалуй, главным недостатком электромагнитных приводов является то, что они создают относительно слабое, по сравнению с гидро- или пневмоприводами, механическое усилие. Это ограничивает их применение. Они используются на арматуре отсечной или малого диаметра (по ГОСТ 22413-89 – с ДУ до 200 мм), а также в качестве триггерных (включающих) устройств на пневмо- или гидроприводах.

Перспективы развития приводов для трубопроводной арматуры

Главной причиной, по которой для управления трубопроводной арматурой начали применяться механизированные приводы, стало не только модернизация оборудования, но еще и постоянно усложняющиеся условия его эксплуатации. Эти же факторы определяют направления совершенствования приводов.

Требования, которые предъявляются к механизированным приводам относительно их надежности и длительности срока службы, все время повышаются. В то же время, масштабы их применения в системах трубопроводов для управления арматурой пищевой нержавеющей, равно как и в других отраслях, быстро растут, что выводит в категорию первоочередных вопрос о стоимости производства и эксплуатации этих агрегатов. Решение поставленных задач невозможно без сокращения энергопотребления, снижения габаритных размеров и веса устройств.

Важность создания механизированных приводов, соответствующих современным требованиям, привлекает к данной теме большое количество проектно-исследовательских групп. Появление передовых конструктивных решений не только выводит приводы на более высокий качественный и функциональный уровень, но еще и стимулирует процесс дальнейшей модернизации арматуры.