ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 1994 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и может быть применено в качестве перекрывающих клапанов во всех областях промышленности и в машиностроении.

Известен электромагнитный клапан, содержащий электромагнит, якорь которого соединен с размещенным в корпусе затвором. Принцип действия такого электромагнитного клапана основан на перемещении затвора якорем электромагнита, который, в свою очередь, перемещается к стопу под действием сил притяжения, возбуждаемых магнитным потоком, возникающим в обмотке электромагнита [1].

Наиболее близким по технической сущности является электромагнитный клапан прямого действия, содержащий корпус с седлом, электромагнит с якорем, затвор, основную и дополнительную пружины, шток, воздействующий одним концом на затвор и имеющий на другом конце буртик, стакан с донышком, закрепленный на якоре. Это позволяет в момент "срыва" затвора, прижатого давлением среды к седлу, получать более высокое тяговое усилие привода, чем оно было в начальный момент трогания якоря [2].

Недостатком такого электромагнитного клапана являются большая масса, габариты и энергопотребление из-за недостаточно эффективного использования энергии электромагнитного привода.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение габаритов и массы клапана, уменьшение энергопотребления, повышение надежности и долговечности, расширение функциональных возможностей.

Отличием предлагаемого клапана является то, что он снабжен постоянным магнитом, размещенным в корпусе и дополнительным якорем, закрепленным на штоке с возможностью взаимодействия с постоянным магнитом и создания усилия поджатия затвора к седлу, при этом между штоком и затвором установлена демпфирующая пружина, а стакан закреплен на основном якоре со стороны затвора, причем в днище стакана выполнено отверстие, через которое пропущен шток, концентрично отверстию внутри стакана выполнен кольцевой выступ, а затвор снабжен кольцевым осесимметричным выступом, направленным в сторону седла с образованием между внутренней поверхностью выступа и наружной поверхностью седла калиброванного зазора. При этом элементы клапана выполнены с соблюдением следующих соотношений:
h_я ≥ 0,20 d_c; d_з ≥ 1,35 d_c;
h_пр = (0,10...0,95) h_я;
F_д ≅ 0,9 F_м; h_c > h_з; где h_я - полный ход якоря электромагнита;
d_c - внутренний диаметр седла клапан;
h_пр - ход дополнительной пружины;
F_д - усилие демпфирующей пружины;
F_м - усилие постоянного магнита;
h_с - высота седла;
h₃ - высота выступа на затворе.

Кроме того по крайней мере одна из обращенных друг к другу поверхностей буртика на штоке и выступа в стакане выполнена выпуклой.

Сущностью изобретения является то, что постоянный магнит позволяет усилить прижатие затвора к седлу, но после отрыва дополнительного якоря от седла это усилие быстро падает. Для такой магнитной пружины требуется значительно меньшее количество энергии при открытии клапана, чем потребовалось бы при использовании сильной основной пружины для такого же усилия прижатия.

Сущностью изобретения является и то, что затвор, подпружиненный демпфирующей пружиной более долговечен, а так как в начальный момент движения дополнительного якоря на открытие усилия магнитной и демпфирующей пружин частично уравновешивают друг друга, то основному якорю необходимо преодолевать лишь разность их усилий, что позволяет накопить большую кинетическую энергию для "срыва" затвора. Перечисленные отличия позволяют уменьшить массу, габариты и энергопотребление клапана, расширить функциональные возможности.

Дополнительное улучшение характеристик клапана достигается тем, что в момент "срыва" затвора вокруг наружной поверхности седла образуется кольцевой зазор с помощью выступа, направленного в сторону седла. Поток жидкости или газа после движения по кольцевому зазору при проходе через седло поворачивается почти на 180, что увеличивает силу воздействия потока на затвор в сторону его открытия.

На чертеже изображена конструктивная схема электромагнитного клапана.

Клапан содержит корпус 1 с седлом 2, входным 3 и выходным 4 патрубками. Затвор 5 прижимается к седлу демпфирующей пружиной 6 и разностью входного и выходного давления среды и снабжен кольцевым выступом 7. На корпусе установлен электромагнит 8 с основным якорем 9, подпружиненным основной пружиной 10. На торце основного якоря со стороны затвора закреплен стакан 11, в донышке которого выполнено отверстие, через которое пропущен шток 12 с буртиком 13 и вокруг отверстия внутри стакана выполнен кольцевой выступ 14. Внутри основного якоря 9 размещена дополнительная пружина 15. Кроме того, в корпусе 1 размещен постоянный магнит 16, а на штоке 12 закреплен дополнительный якорь 17.

Работает клапан следующим образом.

При подаче напряжения на катушку электромагнита 8 основной якорь 9 вместе со стаканом 11 перемещается к столу и отжимает основную 10 и дополнительную 15 пружины. Воздушный зазор между якорем и столом при этом уменьшается и усилие электромагнита возрастает. Разность между усилием на якоре и разностью усилий пружин используется для накопления кинетической энергии якоря. Когда якорь проходит расстояние зазор между выступом 14 и поверхностью буртика 13, на которую он воздействует, становится равным нулю, выпуклая поверхность выступа 14 производит удар и кинетическая энергия якоря передается к штоку 12 с дополнительным якорем 17, а затем - затвору 5.

Для накопления достаточной энергии для удара выдерживаются соотношения:
h_пр = (0,10...0,95) h_я и h_я ≥ 0,20 d_c.
Кинетическая энергия якоря расходуется затем на необходимую для перемещения штока, дополнительного якоря и затвора работу, которая должна быть как можно меньше, что достигается увеличением крутизны падения гидравлической характеристики затвора по мере его удаления от седла, а также малой разностью усилия постоянного магнита и демпфирующей пружины. Для обеспечения достаточной крутизны гидравлической характеристики выдерживаются соотношения между диаметрами затвора и седла в виде: d_з ≥ 1,35 d_c, а вокруг наружной поверхности седла образуется кольцевой зазор, позволяющий увеличить угол поворота потока среды при проходе его через седло и тем самым увеличить силу воздействия потока на затвор в сторону его открытия.

Обратный ход происходит после снятия напряжения с катушки электромагнита. При этом затвор и якорь возвращаются в исходное положение под воздействием основной пружины основного якоря, собственного веса подвижных деталей и силы притяжения постоянного магнита.

Проведенные эксперименты показали, что предлагаемое решение позволяет 15. . .30 раз улучшить энергетические, массовые и габаритные характеристики привода. Например, в одной из экспериментальных конструкций при неизмененных Р и D масса электромагнита была уменьшена с 10 до 2 кг, его мощность уменьшена с 80 до 12 Вт.

Таким образом, данное изобретение позволяет значительно уменьшить потребляемую мощность, массу и габариты электромагнита, расширить функциональные возможности, диапазон рабочих давлений, диаметров трубопроводов и температур рабочей и окружающей сред, повысить коэффициент запаса по усилиям и уменьшить массу подвижных деталей, тем самым повысив надежность электромагнитного клапана.

Использование: в трубопроводной арматуре. Сущность изобретения: на якоре электромагнита закреплен стакан. Шток взаимодействует одним концом с затвором и снабжен на другом конце буртиком. Постоянный магнит размещен в корпусе. Дополнительный якорь закреплен на штоке с возможностью взаимодействия с постоянным магнитом и создания усилия поджатия затвора к седлу. Между штоком и затвором установлена демпфирующая пружина. Стакан на основном якоре закреплен со стороны затвора. Через отверстие в днище стакана пропущен шток. Концентрично отверстию выполнен кольцевой выступ. Затвор снабжен кольцевым осесимметричным выступом, направленным в сторону седла с образованием между внутренней поверхностью выступа и наружной поверхностью седла калиброванного зазора. Элементы выполнены с соблюдением заданных соотношений. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН, содержащий корпус с седлом, электромагнит с якорем, на котором закреплен стакан, затвор, основную и дополнительную пружины, шток, взаимодействующий одним концом с затвором и снабженный на другом конце буртиком, отличающийся тем, что клапан снабжен постоянным магнитом, размещенным в корпусе, и дополнительным якорем, закрепленным на штоке с возможностью взаимодействия с постоянным магнитом и создания усилия поджатия затвора к седлу, при этом между штоком и затвором установлена демпфирующая пружина, а стакан на основном якоре закреплен со стороны затвора, причем в днище стакана выполнено отверстие, через которое пропущен шток, концентрично отверстию внутри стакана выполнен кольцевой выступ, а затвор снабжен кольцевым осесимметричным выступом, направленным в сторону седла с образованием между внутренней поверхностью выступа и наружной поверхностью седла калиброванного зазора. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что его элементы выполнены с соблюдением следующих соотношений:
h_я ≥ 0,20d_с;
d_з ≥ 1,35d_с;
h_пр = (1,10 - 0,95)h_я,
F_д ≅ 0,9F_м;
h_с > h_з,
где h_я - полный ход якоря электромагнита;
d_с - внутренний диаметр седла клапана;
d_з - наружный диаметр затвора;
h_пр - ход дополнительной пружины;
F_д - ход демпфирующей пружины;
F_м - усилие постоянного магнита; h_с - высота седла;
h₃ - высота выступа на затворе. 3. Клапан по пп.1 и 2, отличающийся тем, что по крайней мере одна из обращенных одна к другой поверхностей буртика на штоке и выступа в стакане выполнена выпуклой.