В арматуре поршневые приводы применяются для управления кранами, заслонками, клапанами и задвижками. Наиболее важными являются следующие достоинства поршневых приводов: возможность получения больших ходов и усилий при прямолинейном ходе штока; простота конструкции и ограниченное число деталей; простой способ ограничения усилия — ограничением давления управляющей среды; возможность использования рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу, для управления арматурой; быстродействие при использовании энергии сжатого воздуха или других газов и водяного пара. Простая конструкция поршневого привода позволяет изготовлять его силами предприятий при автоматизации технологических процессов, осуществляемой при модернизации предприятий, и оснащать приводами арматуру, ранее управлявшуюся вручную. Классификация поршневых приводов приведена на схеме 3.3, а некоторые их конструкции и принципиальные схемы действия показаны на рис. 3.38—3.47. Поршневые приводы арматуры можно разделить по свойствам управляющей среды на пневмоприводы, гидроприводы и пневмо-гидроприводы; по циклу срабатывания — на приводы двустороннего и одностороннего действия. В поршневых приводах двустороннего действия прямой и обратный ходы совершаются под давлением управляющей среды. В поршневых приводах одностороннего действия прямой ход совершается под давлением управляющей среды, обратный ход — под действием пружины возврата, ■ предварительно сжатой при прямом ходе поршня. По характеру движения выходного звена поршневые приводы можно разделить на прямоходные и поворотные. В прямоходных выходной шток совершает поступательное прямолинейное движение, в поворотных — вращение, обычно па угол 90° (четверть оборота для управления кранами). Имеются конструкции, создающие несколько оборотов выходного звена.
Схема 3.3 Классификация поршневых приводов арматуры Они могут применяться для управления другими типами арматуры (клапанами). В поворотных поршневых приводах для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала применяются: рычажная передача, кривошипно-шатунный и кулисный механизмы, реечно-зубчатая передача и винтовой преобразователь. Рис. 3.42. Поршневой привод поворотный двустороннего действия с реечно-зубчатой передачей: а — конструкция; б — схема действия
Приводы могут быть с шатуном и неподвижным цилиндром и без шатуна с поворотным (качающимся) цилиндром. Качающийся цилиндр выполняет одновременно и роль шатуна. По методу компоновки поршневые приводы могут иметь блочную конструкцию (в виде отдельного агрегата) или быть встроенными в конструкцию арматуры. К поршневым приводам относятся и сильфонные приводы, отличающиеся тем, что не имеют поршня, поскольку под действием давления управляющей среды изменяет свою длину сильфон. В некоторых случаях применяются также поршневые приводы с чулочным уплотнением поршня. Поршень, имеющий сравнительно небольшую толщину, расположен в цилиндре со значительным зазором. Подвижное сопряжение поршня с цилиндром герметизируется резиновым чулком, один конец которого соединен с поршнем, другой — с цилиндром. Такая конструкция обеспечивает высокую герметичность сопряжения поршня с цилиндром, но накладывает определенные ограничения на управляющее давление, величину хода, темпе¬ратуру управляющей среды и ресурс привода. Рис. 3.44. Поршневой привод прямоходный односторонне¬го действия, встроенный в предохранительный клапан (главный): а — конструкция; б — схема действия
Рис. 3.45. Привод сильфонный прямоходный одностороннего действия, встроенный в термостатный конденсатоотводчик: а — конструкция; б — схема действия
К поршневым можно условно отнести лопастные пневмо- и гидроприводы в которых вместо рабочего цилиндра имеется круглая плоская камера, а вместо поршня — рабочая лопасть, совершающая поворот в рабочей камере под действием давления управляющей среды. Поршневые пневмоприводы, работают с ускорением в связи с большими скоростями движения газа и создают удары в конце рабочего хода, что во многих случаях недопустимо. Рис. 3.46. Привод поворотный двустороннего действия одно-лопастной: а — конструкция; б — схема действия
Рис. 3.47. Привод поворотный двустороннего действия двухлопастной: а — конструкция; б — схема действия
В этих случаях пневмопривод снабжают гидротормозом, но это усложняет конструкцию. Гидроприводы обычно работают с меньшими скоростями движения поршня из-за большого гидравлического сопротивления, создаваемого в подводящих трубопроводах системы управления приводом. Для создания постоянного усилия на штоке поршень необходимо держать под давлением. В пневмоприводах это вызывает повышенную протечку воздуха (газа) через сопряжение поршня с цилиндром и через сальник. Гидропривод создает меньшие объемные протечки. Однако протечки воздуха не оставляют следов, протечки масла загрязняют рабочее место. Гидроприводы допускают применение значительно больших давлений управляющей среды, чем пневмоприводы, в которых давление воздуха редко превышает 4,5 МПа. В связи с этим гидроприводы позволяют при¬менять конструкции меньших размеров. Пневмопривод позволяет использовать в качестве управляющей среды производственные компрессорные линии сжатого воз- духа, в то Бремя как для гидропривода требуется применение насосной станции. В связи с большой упругостью газа и большими скоростями этой управляющей среды при давлениях свыше 1 МПа пневмопривод часто работает с пульсирующей скоростью движения поршня. Процесс этот протекает следующим образом. После подачи сжатого воздуха (газа) давление в камере над поршнем возрастает до тех пор, пока усилие поршня не преодолеет силу сопротивления, создаваемую арматурой. Затем начинается разгон поршня и снижение давления воздуха, не компенсируемое поступлением. Усилие на поршне снижается, он затормаживается, пока не повысится давление и снова не начнется ускоренное движение. Этот процесс создает неравномерное движение при управлении арматурой. Таким образом, пневмопривод и гидропривод имеют каждый свои достоинства и недостатки. Ввиду этого для больших конструкций используют поршневые пневмогидроприводы с применением газа в качестве источника энергии и гидротормоза (встроенного или в виде гидроприставки) для регулирования скорости движения. В качестве материала для цилиндров приводов низкого давления применяется чугун, высокого давления — сталь. В последнем случае зеркало цилиндра покрывают противозадирным и коррозионно-стойким материалом (хромирование). Для низких давлений при модернизации оборудования некоторые предприятия применяют для цилиндров приводов винипластовые или асбоцементные трубы, предварительно расшлифованные и доведенные до требуемого размера. Поршни снабжаются манжетами из резины или кожи; применяется для этой цели и фторопласт. При температуре окружающей среды свыше 100 °С резина и кожа неприменимы, поэтому используются уплотнение Б виде сальниковой набивки или чугунные (графитные) поршневые кольца. В последнее время поршни с сальниковым уплотнением приобрели широкое применение в энергетической арматуре, где Б качестве управляющей среды используется пар. Они доступны для изготовления, хорошо герметизируют подвижное соединение и мало подвержены заклиниванию и задирам. Блочные конструкции поршневых приводов удобны для обслуживания и ремонта, но требуют применения двух сальников — отдельно для привода и для арматуры. Встроенные поршневые приводы менее металлоемки, но их обслуживание и выполнение ремонта затруднены. Во встроенных поршневых приводах достаточно иметь один сальник —общий для привода и арматуры. : Когда к поршневому приводу арматуры предъявляются особые Требования, применяются специальные конструкции арматуры. На рис. 3.48—3.53 приведены три конструкции поршневого привода с комбинированным поршнем к три конструкции с комбинированной передачей движения со штока на арматуру. При необходимости получить увеличенное усилие на штоке привода при¬меняются поршневой привод со сдвоенным поршнем, в котором движение на закрытые и открытые арматуры совершается под удвоенным усилием по сравнению с усилием, создаваемым на обычном одинарном поршне при одинаковых давлениях управляющей среды. Управление клиновыми задвижками желательно осуществлять с применением различных усилий для закрытия и открытия арматуры. Для открывания требуется применять большее усилие, чем при закрывании. Это обусловлено тем, что в закрытом положении может иметь место «прикипание» клинового затвора к седлу корпуса и для открывания потребуется приложить усилие большее, чем было приложено при закрывании задвижки. Рис. 3.48. Привод со сдвоенным поршнем для увеличения усилия при прямом и обратном ходе Рис. 3.49. Привод с двумя поршнями последовательного действия для увеличения усилия при открывании задвижки
Кроме того, в начале открывания необходимо преодолеть силу сопротивления, создаваемую трением покоя, в конце закрывания же действует трение движения меньшее, чем трение покоя. Это обстоятельство также содействует тому, что для открытия и закрытия задвижки следует применять разные усилия. Здесь может быть использован поршневой привод с двумя поршнями последовательного действия. В этом приводе при движении штока вниз (на закрывание) действует один поршень, а при открывании в начале хода — два поршня, затем движение продолжается под действием одного поршня. Задача создания увеличенного усилия при открывании задвижки может быть решена также применением поршневого привода с конусным шариковым усилителем. В этой конструкции поршень и шток не соединены жестко, а могут несколько перемещаться относительно друг друга. При движении вниз (закрывание задвижки) поршень действует обычным образом как жесткий поршень, так как крышка поршня упирается в головку штока и передает ему создаваемое на поршне усилие. При движении вверх (открывание задвижки) поршень в начале хода перемещается относительно заторможенного штока, при атом своей внутренней конусной поверхностью поршень вдвигает шарики между двумя дисками с коническими фасками по окружности, заставляя шток двигаться вверх с увеличенным усилием. После страгивания с места клинового затвора задвижки поршень движется вверх с обычным усилием. Поршневой привод без самотормозящего передаточного механизма на арматуру не фиксирует достигнутого положения затвора, и при отсутствии или снижении давления на поршень привода затвор арматуры может сместиться под действием давления рабочей среды. Этого недостатка можно избежать применением винтового самотормозящего механизма или кривошипного механизма с использованием в последнем случае мертвых точек в положении шатуна по отношению к кривошипу. На рис. 3.54 показаны некоторые возможные схемы образования мертвых точек. Во всех случаях, чтобы не предъявлять чрезмерных требований к точности изготовления и регулировки механизма и создать постоянно действующее усилие на затворе при закрытом положении клапана, между выходным штоком привода и арматурой следует предусмотреть упругое звено (пружину). Для задвижек такие механизмы малопригодны из-за малого создаваемого хода на выходном штоке. На рис. 3.51—3.53 показаны конструкции приводов с образованием мертвых точек соответственно схемам, приведенным на рис. 3.54, где S — ход, мм, а е — эксцентриситет, мм. Наиболее широкое применение поршневые приводы в арматуре получили для управления шаровыми кранами магистральных газопроводов, где в качестве управляющей среды используется природный газ, транспортируемый под давлением до 8 МПа (в перспективе до 12,5 и 16 МПа). Пневмогидравлическая схема управления сдвоенным поршневым приводом шарового крана с Z)y = = 1000 мм приведена на рис. 3.55. Предусмотрена также возможность ручного аварийного управления ручным или механическим насосом при отсутствии рабочего давления газа. Схема включает два баллона с тормозной жидкостью (масло), в один из которых масло поступает из цилиндра при открывании крана, в другой — при закрывании. Движение на шаровой кран / передается от двух поршней 8, поступательное движение которых при помощи двойной кулисы 7 преобразуется во вращательное и передается на ступицу 21 пробки крана. Рис. 3.51. Поршневой привод с одной мертвой точкой, создаваемой кривошипно-шатунным механизмом для фиксации закрытого положения запорного органа арматуры
Управляющая (рабочая) среда поступает из магистрали через запорные вентили 2 и 19, обратные клапаны 3, 22, фильтры 15 и 20 в блок управления (БУЭП) 10, откуда через распределитель 9 направляется в баллон 5 «на открытие» или в баллон 6 «на закрытие» и да¬лее в соответствующие полости поршневого привода. Давление газа визуально контролируется с помощью манометра 18, соединенного с импульсной линией через вентиль 17. Насос 4 используется при аварийном ручном управлении. Вентиль 16 находится на линии подачи давления газа из распределителя 9 на уплотнительные кольца шарового крана для их отвода от шаровой пробки перед поворотом. Этим достигается уменьшение крутящего момента на пробке крана и уплотнительные кольца предохраняются от чрез¬мерного износа. Прибор // (АЗК-75/1400) через вентиль 13 и фильтр 14 получает импульс от магистрали. Емкости 12 входят в комплект АЗК. При автоматическом управлении краном вентиль 17 должен быть закрыт, а вентили 2, 19, 16 и 13 — открыты. При ручном управлении вентиль 15 может быть закрыт, а вентиль /7 — открыт. Схема работы шарового крана при ручном управлении с использованием ручного или механического насоса показана на рис. 3.56. Рис. 3.52. Поршневой привод малой мощности с одной мертвой точкой для фиксации закрытого положения запорного органа арматуры
Рис. 3.53. Поршневой привод с коленчатым валом, создающим две мертвые точки для фиксации закрытого и открытого положений запорного органа
Рис, 3.54. Схемы образования мертвых точек: л — кривошипно-шатунным механизмом; б — эксцентриком; в — коленчатым валом
Перед поворотом шаровой пробки давление на уплотнительные кольца для их отвода подается насосом. Эти краны устанавливаются как на компрессорных станциях, так и на линейной части магистрального трубопровода. В последнем случае поршневые приводы арматуры работают в особо тяжелых условиях. Сильфонные приводы всегда применяются как приводы одностороннего действия. Усилие возврата создается использованием упругих свойств сильфона. Если это усилие недостаточно, дополнительно устанавливается цилиндрическая пружина возврата, которая располагается внутри или снаружи сильфона. Основными недостатками сильфонных приводов являются: малый ход; малое создаваемое усилие и ограниченный цикловой ресурс; невозможность и нецелесообразность ремонта сильфона, в связи с чем при выходе сильфона из строя необходимо заменять новым весь сильфонный узел привода арматуры. В лопастном приводе поворот выходного вала происходит тогда, когда на одну сторону лопасти, жестко соединенной с выходным валом, действует давление управляющей среды. Рис, 3.55. Пневмогидравлическая схема управления сдвоенным поршневым приводом шарового крана с Dy = 1ОО мм Рис. 3.56. Схема ручвого управления краном с гидроприводом.
В одно-лопастных приводах угол поворота выходного вала может достигать 180° и более, в двухлопастных — немногим более 90°. При одинаковых размерах лопастей й давлениях управляющей среды крутящий момент, создаваемый двухлопастным приводом, примерно в два раза больше, чем однолопастным. Учитывая возможность протечки воздуха через зазор между лопастью и корпусом, наиболее целесообразно использовать лопастные приводы в качестве гидропривода с применением масла в качестве управляющей среды. Для уменьшения сил трения рабочие поверхности корпуса и лопасти покрываются слоем фторопласта, что обеспечивает износостойкость и коррозионную устойчивость рабочих поверхностей. Герметизация зазоров достигается применением уплотнительных резиновых шнуров, это позволяет применять в качестве управляющей среды и сжатый воздух. Время рабочего хода лопастного пневмопривода может составлять от 3 до 7 с. Крутящий момент, создаваемый приводом, — до 1000 Н.м. Лопастные приводы могут устанавливаться по нескольку штук на один вал, на котором создается суммарный крутящий момент. Лопастные приводы могут быть двустороннего и одностороннего действия. Путем использования пружины возврата можно обеспечить арматуре нужный вид действия (НО или НЗ).
