ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ КЛАПАН Российский патент 1995 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в устройствах управления коробками передач.

Известен электромагнитный клапан, содержащий электромагнитную обмотку, соединенную с корпусом, в котором размещены каналы подвода и отвода рабочей среды с запорным органом, на который воздействует стержень, соединенный с имеющим продольные пазы якорем [1]
Недостатком известного технического решения является усложненная конструкция запорного органа, не обеспечивающая электромагнитному клапану достаточной надежности.

Известен также электромагнитный клапан, содержащий электромагнитную обмотку, соединенную с корпусом, снабженным каналами подвода и отвода рабочей среды. В корпусе выполнено седло, к которому с помощью пружины и рабочей среды поджат запорный орган, разделяющий каналы подвода и отвода рабочей среды, что обеспечивает указанному электромагнитному клапану большую часть времени его эксплуатации за счет улучшенных условий поджатия запорного органа к седлу повышенную надежность. Открытие клапана происходит с помощью стержня, выполненного за одно целое с якорем при перемещении последнего [2]
Недостатком указанного технического решения является наличие возможных перекосов запорного органа в момент прижатия его к седлу после очередного открытия электромагнитного клапана. Перекосы возможны вследствие того, что запорный орган выполнен чашеобразным с боковой цилиндрической поверхностью, расположенной перпендикулярно оси канала подвода рабочей среды, причем указанный канал расположен с одной стороны от упомянутой боковой поверхности.

Наиболее близким к устройству по настоящему изобретению является электропневматический клапан [3] в котором электромагнитная обмотка размещена на каркасе, соединенном с корпусом, где выполнены каналы подвода и отвода рабочей среды, а также канал, сообщающий канал отвода рабочей среды к рабочим органам с атмосферой после выполнения упомянутыми рабочими органами заданных функций. Корпус снабжен двумя седлами, к которым поочередно поджимаются с помощью пружин имеющие уплотнительные элементы запорные органы, соединенные с помощью общего стержня с якорем, расположенным в зоне установки электромагнитной обмотки. Причем большую часть времени эксплуатации электромагнитного клапана запорный орган, разделяющий каналы подвода рабочей среды и отвода ее к рабочим органам, поджат пpужиной и рабочей средой, что обеспечивает заданную надежность клапану.

Однако размещение седел в корпусе, а направляющей поверхности, задающей перемещение обоим запорным органам, в другой детали клапана не исключает перекосы рабочих поверхностей запорных органов относительно рабочих поверхностей седел. Кроме того, у запорных органов отсутствует центровка относительно корпуса, что также не исключает возможных перекосов данной детали относительно седла в момент контакта с последним. Размещение седел вне электромагнитной обмотки и на достаточном удалении от нее не позволяет в зимнее время эксплуатации клапана при подаче напряжения питания на обмотку прогреть седла и уплотнительные элементы запорных органов, что не исключает вероятность примерзания к седлам уплотнительных элементов.

Целью изобретения является повышение надежности электропневмоклапана за счет усовершенствования конструктивных его элементов, улучшения условий их работы.

Цель достигается тем, что в электропневматическом клапане, содержащем цилиндроконический корпус с выполненными в его средней части и на одном из концов фланцами из магнитного материала, соединенными немагнитной проставкой, между которыми установлена имеющая выполненные в виде штекерного разъема или электрического жгута выводы электромагнитная обмотка, закрытая магнитопроводящим каркасом, сопряженным с поверхностями фланцев, при этом в корпусе выполнена ступенчатая сквозная расточка, в которой установлен с возможностью осевого перемещения и со смещением относительно торца обмотки якорь с одним или несколькими продольными пазами или отверстиями, опирающийся с одной стороны через упругий элемент, например пружину, на стоп, закрепленный на одном из торцов корпуса и имеющий сообщенный с пазами или отверстиями якоря канал отвода воздуха, а с другой стороны через стержень меньшего, чем тело якоря, диаметра, на поверхность запорного органа, установлено в канале подвода воздуха, выполненном в другом конце корпуса с образованием седла, и поджатого с возможностью разобщения каналов подвода и отвода воздуха к седлу упругим элементом, например пружиной, рабочее усилие которой больше усилия пружины стопа, при этом канал отвода воздуха рабочим органам сообщен со ступенчатым каналом корпуса, запорный орган, разобщающий каналы подвода и отвода воздуха, выполнен в виде тарели с цилиндрическим хвостовиком, при этом пружина установлена коаксиально хвостовику и выполнена с одним торцом, опирающимся на противоположный седлу торец тарели запорного органа, и другим торцом на установленную в конце корпуса крышку с центральным сквозным цилиндрическим направляющим отверстием, через которое пропущен хвостовик запорного органа, и одним или несколькими отверстиями или пазами для подвода воздуха.

При этом якорь и стержень могут быть соединены между собой с возможностью регулировки хода якоря, например, по резьбе.

Кроме того, корпус электропневматического клапана может быть выполнен по крайней мере из двух подвижно соединенных частей, на одной из которых размещена закрытая каркасом электромагнитная обмотка с закрепленным стопом и внутри установлен якорь, а в другой выполнены каналы подвода и отвода воздуха.

Как вариант исполнения, в электропневматическом клапане торцовая поверхность запорного органа может быть выполнена плоской и в зоне контакте с седлом отформована уплотняющим материалом, а седло выполнено в виде выступа.

Кроме того, торцовая поверхность запорного органа может быть выполнена полусферической и отформована в зоне контакта с седлом уплотняющим материалом, а седло может быть выполнено в виде выступа или в виде конической поверхности, контактирующей с полусферической поверхностью запорного органа по окружности.

Как вариант исполнения, стержень, соединяющий якорь и запорный орган, может быть жестко соединен со стороны седла с запорным органом или может быть выполнен с ним за одно целое.

Кроме того, крышка запорного органа может быть установлена в торце корпуса по резьбе для обеспечения регулировки усилия пружины, поджимающей запорный орган.

При этом отношение минимального диаметра проходного отверстия, соединяющего каналы подвода и отвода воздуха, к диаметру соединенного с якорем стержня, проходящего через указанное сечение, равно 2-5.

Как вариант исполнения, выводы электромагнитной обмотки могут быть выполнены на одном из краев боковой поверхности магнитопроводящего каркаса, закрывающего указанную обмотку.

На фиг. 1 изображен клапан в разрезе; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1, иллюстрирующий различные формы каналов в якоре; на фиг.3 вариант исполнения клапана с расположением пружины в стопе; на фиг.4 вариант исполнения клапана с корпусом из двух подвижно соединенных частей; на фиг.5 изображен узел соединения корпуса с крышкой; на фиг.6 запорный орган с полусферической поверхностью; на фиг.7 и 8 жесткое соединение стержня и запорного органа; на фиг. 10 исполнение стержня за одно целое с несущей частью запорного органа; на фиг.11 выполнение якоря и стержня из отдельных деталей.

Электропневматический клапан (фиг.1) содержит цилиндроконический корпус 1, имеющий в средней части и на одном из концов выполненные из магнитного материала и соединенные немагнитной проставкой 2 фланцы 3 и 4. Между фланцами установлена имеющая выполнение в виде штекерного разъема или электрического жгута выводы 5 электромагнитная обмотка 6, закрытая магнитопроводящим каркасом 7, сопрягаемым с поверхностями указанных фланцев 3, 4 корпуса 1, причем корпус имеет внутреннее ступенчатое сквозное отверстие 8, в котором на части его длины установлен с возможностью перемещения по оси последнего со смещением относительно торца электромагнитной обмотки снабженный одной или несколькими продольными прорезями от отверстиями 9 электромагнитный якорь 10. С одной стороны якорь через упругий элемент, например пружину 11, опирается на торец 12 стопа 13, закрепленного с помощью резьбы 14 или другим способом на одном из торцов корпуса. Причем при креплении по резьбе упомянутым способом последняя может быть зафиксирована или с помощью контргайки 15 (фиг. 1), или кернением на стенку корпуса (фиг.3). Пружина 11 может быть размещена как во внутреннем отверстии якоря (фиг.1), так и во внутреннем отверстии стопа (фиг.3), что позволяет в некоторых случаях снизить затраты на изготовление электропневмоклапана и в отдельных случаях повысить надежность его за счет улучшения условий работы пружины и якоря. Для обеспечения удобства работы с электропневмоклапаном на наружном бурте стопа могут быть выполнены две лыски под ключ. Возможен и вариант изготовления граней под ключ во внутреннем отверстии стопа (фиг.3). С другой стороны по отношению к пружине якорь 10 через меньшего, чем тело якоря, диаметра стержень 16 упирается в поверхность 17 выполненного в виде тарели запорного органа 18, размещенного в канале Б подвода воздуха, выполненном в виде внутреннего ступенчатого отверстия 19 другого конца корпуса, и разобщающего пневматические каналы подвода Б и отвода В воздуха с помощью выполненного в указанной зоне корпуса седла 20. Причем запорный орган поджат воздухом канала подвода воздуха и опирается на корпус через упругий элемент, например пружину 21, рабочее усилие которой больше усилия пружины 11 стопа, на крышку 22, закрепленную в торце корпуса и имеющую, как минимум, одно отверстие 23. При этом канал В отвода воздуха к рабочим органам выполнен в стопе 13 в виде пазов или отверстий 24 и соединен с помощью выполненных в якоре продольных пазов или отверстий с внутренним ступенчатым отверстием корпуса (фиг.1).

На фиг. 1 показаны также силовые линии 25 магнитного потока, воздействующего на якорь при подаче напряжения питания на электромагнитную обмотку. Стрелками 26 на силовых линиях нанесены направления втягивания якоря магнитным потоком силового поля.

Корпус может быть подсоединен к питающей магистрали с помощью резьбовой наружной поверхности 27.

Как вариант исполнения, корпус может быть выполнен состоящим как минимум из двух подвижно соединенных частей 1 и 28, например, по резьбе 29 (фиг.4) или по прессовой посадке. На одной из частей 1 в данном случае может быть размещена закрытая каркасом 7 электромагнитная обмотка 6 и внутри установлен электромагнитный якорь 10, а в другой 29 выполнены пневматические каналы подвода Б и отвода В воздуха, а также отверстия 30 для крепления электропневмоклапанов к питающей магистрали. Такое исполнение электропневмоклапана повышает его ремонтопригодность и снижает расходы материалов при его производстве, поскольку позволяет поврежденный узел электропневмоклапана заменить на новый, сохраняя оставшиеся узлы.

В электропневмоклапане (фиг.4) запорный орган, разделяющий пневматические каналы подвода Б и отвода В воздуха, выполнен в виде тарели, включающей две разного диаметра цилиндрические поверхности 31, 32. Причем коаксиально относительно цилиндрической поверхности меньшего диаметра, выполняющей функцию хвостовика тарели, установлена пружина 21, одним торцом опирающаяся на противоположный седлу торец 33 тарели запорного органа, а другим торцом сопрягаемая с установленной на конце корпуса крышкой 22, имеющей в центральной части сквозное цилиндрическое отверстие 34, через которое пропущен хвостовик запорного органа.

В торце крышки 22, являющейся опорой для пружины 21 запорного органа и его направляющей, выполнено не менее одного отверстия 23 для подвода воздуха, с осями 35, параллельными оси электропневмоклапана. Расположение отверстия в торце крышки обеспечивает равномерное поджатие запорного органа к седлу во время переходных процессов, при этом наиболее равномерное распределение усилия поджатия запорного органа к седлу обеспечивается при наличии четного числа отверстий в крышке, равномерно расположенных относительно оси симметрии запорного органа. Крышка запорного органа установлена в торце корпуса по резьбе 36, обеспечивающей регулировку усилия пружины запорного органа, разделяющего пневматические каналы подвода и отвода воздуха. Причем конструктивно резьба на крышке может быть выполнена как по наружной цилиндрической поверхности, так и по внутренней, что принципиально не изменяет функциональных возможностей устройства и зависит только от конструктивных особенностей сопрягаемых с устройством узлов.

Торцовая поверхность запорного органа, разделяющего пневматические каналы подвода Б и отвода В воздуха, может быть выполнена плоской и в зоне контакта с седлом отформована уплотняющим материалом 37 (фиг.4), а седло выполнено в виде выступа 38 (фиг.5). Торцовая поверхность запорного органа, разделяющего пневматические каналы подвода и отвода воздуха, может быть выполнена в виде полусферы и отформована в зоне контакта с седлом уплотняющим материалом 37 (фиг.6), а седло выполнено или в виде выступа 38 (фиг.5) или в виде конической поверхности 39 (фиг.6), контактируемой с полусферой запорного органа по окружности. В указанных случаях уплотняющий материал, контактирующий с седлом, обеспечивает повышенную надежность запирания питающей магистрали от каналов отвода воздуха к рабочим органам и сообщения с атмосферой.

Как вариант исполнения, стержень 16, сопрягаемый с якорем, может быть жестко соединен со стороны седла с запорным органом (фиг.7 и 8). Возможно также подвижное соединение стержня с запорным органом (фиг.9) по резьбе 40. В данном случае для надежного фиксирования стержня относительно запорного органа применяется контргайка 41. Возможно также исполнение стержня 16 за одно целое с несущей частью запорного органа (фиг.10). При этом оформление уплотняющей части запорного органа выполняется в соответствии с вариантами, изложенными выше (фиг.5 9). Выполнение стержня за одно целое с несущей частью запорного органа позволяет повысить в отдельных случаях технологичность изготовления клапана в целом, снизить расходы высоколегированных сталей при изготовлении якоря, повысить ремонтопригодность клапана.

Уплотняющая часть запорного органа, как правило, отформована литьем под давлением через одно или несколько отверстий 42, которые обеспечивают не только технологические функции, но и способствуют повышению надежности уплотнения за счет создания дополнительного усилия при имеющей место выпрессовке во время эксплуатации (фиг.8).

Якорь 10 и стержень 16 могут быть выполнены не как единое целое, а из отдельных деталей, соединенных между собой с возможностью подрегулировки хода якоря, например, по резьбе 43 (фиг.11). Такое исполнение повышает ремонтопригодность как якоря и стержня, так и электропневмоклапана в целом по мере износа рабочих поверхностей седла 20 корпуса и сопрягаемой поверхности якоря. Практически исключается выбраковка якоря в случае изготовления его установочных размеров с отклонением от номинала, поскольку окончательный установочный размер а обеспечивается вворачиванием стержня в тело якоря.

На фиг. 5 стрелками 44, 45 показано направление движения воздуха по каналам Б, В. Для обеспечения повышенной надежности на наружной поверхности корпуса 1 между указанными каналами может быть установлено уплотнительное кольцо 46.

В электропневматическом клапане выводы 5 электромагнитной обмотки 6 могут быть выполнены как на одном из торцов корпуса клапана (фиг.3, 4), так и на одном из краев боковой поверхности магнитопроводящего каркаса 7 (фиг.1), закрывающего указанную обмотку. В последнем варианте повышается надежность устройства при его сборке и регулировке за счет исключения возможных повреждений выводов в указанный период. Выводы электромагнитной обмотки могут быть выполнены как в виде концов электрических проводов, так и в виде штекерных разъемов, жестко закрепленных на каркасе электромагнитной обмотки.

Работает электропневмоклапан следующим образом.

Воздух, как энергоноситель, поступает на питающей магистрали через одно или несколько (фи.1, 4) отверстий в полость канала Б (на фиг.5 направление потока воздуха показано стрелками 44), поджимая наряду с пружиной 21 запорный орган 18 к седлу 20. Причем усилие, с которым воздух поджимает запорный орган к седлу, на порядок выше усилия, обеспечиваемого пружиной. Наличие в данной конструкции в упомянутой полости в течение всего времени эксплуатации клапана воздуха под определенным давлением исключает самопроизвольные утечки воздуха через указанное седло и обеспечивает высокую эксплуатационную надежность.

При подаче по входам питания и управления напряжения питания на электропневмоклапан и прохождении по электрическим проводам электромагнитной обмотки тока по закону Ленца в элементах клапана, включая каркас 7, фланцы 3, 4 и отдельные элементы корпуса, возникает магнитный поток, линии 25 силового поля которого показаны на фиг.1, 4. При этом, поскольку на цилиндрической части корпуса имеется вставка 2 из немагнитного материала, то замыкание линий магнитного потока пpоисходит не по данной вставке, а по телу электромагнитного якоря 10. В результате силовое поле магнитного потока воздействует на якорь 10 в направлении, показанном стрелками на линиях 26, и якорь 10 втягивается вместе со стержнем 16 (или толкает последний) в направлении запорного органа 18. При этом стержень 16 толкает запорный орган 18, преодолевая сопротивление давления сжатого воздуха и пружины 21, поджимающих данные элементы к седлу 20. Воздух под давлением начинает перетекать из полости канала Б через отверстия канала В (на фиг.5), а линиями 45 показано направление движения воздуха по каналу В в момент открытия запорного органа 18 в рабочие полости исполнительных механизмов (на фиг. не показаны), соединенных с электропневмоклапаном, или в атмосферу (в зависимости от назначения и места установки электропневмоклапана).

При сбросе напряжения питания с электропневмоклапана якорь 10 возвращается в исходное положение (показано на фиг.1, 3, 4), запорный орган 18 поджимается к седлу 20 и закрывает полость канала Б от канала В. При последующих подачах напряжения питания на электропневмоклапан описанный процесс в нем повторяется.

Запорный орган вместе с седлом 20 расположен в непосредственной близости от электромагнитной катушки, которая постоянно прогревается при прохождении по ней тока, а температура от прогретой катушки передается на седло, прогревая ее и исключая в условиях низких температур примерзание запорного органа к седлу.

Для обеспечения надежности при заданном быстродействии и габаритах необходимо элементы электропневмоклапана выполнить в определенном соотношении. В основном это относится к элементам клапана, лимитирующим перечисленные функциональные характеристики. Для обеспечения названных характеристик при испытаниях опытно-промышленной партии электропневмоклапанов данной конструкции доказано, что отношение минимального диаметра выполненного в корпусе проходного сечения отверстия D (фиг.5), соединяющего каналы подвода и отвода воздуха, к минимальному диаметру d соединенного с якорем стержня, проходящего через указанное отверстие, должно быть равно 2 5.

Использование: в устройствах управления коробками передач. Сущность изобретения: запорный орган, разобщающий каналы подвода и отвода воздуха, выполнен в виде тарели с цилиндрическим хвостовиком. Пружина установлена коаксиально хвостовику и выполнена с одним торцом, опирающимся на противоположный седлу торец тарели, другим торцом на установленную в конце корпуса крышку с центральным сквозным цилиндрическим направляющим отверстием, через которое пропущен запорный орган, и одним или несколькими отверстиями или пазами для подвода воздуха. 8 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ КЛАПАН, содержащий цилиндрическо-конический корпус с выполненными в его средней части и на одном из концов фланцами из магнитного материала, соединенными немагнитной проставкой, между которыми установлена имеющая выполненные в виде штеккерного разъема или электрического жгута выводы электромагнитная обмотка, закрытая магнитопроводящим каркасом, сопряженным с поверхностями фланцем, при этом в корпусе выполнена ступенчатая сквозная расточка, в которой установлен с возможностью осевого перемещения и со смещением относительно торца обмотки якорь с одним или несколькими продольными пазами или отверстиями, опирающийся с одной стороны через упругий элемент, например пружину, на стоп, закрепленный на одном из торцов корпуса и имеющий сообщенный с пазами или отверстиями якоря канал отвода воздуха, а с другой стороны через стержень меньшего, чем тело якоря, диаметра, на поверхность запорного органа, установленного в ступенчатом канале подвода воздуха, выполненном в другом конце корпуса с образованием седла, и поджатого с возможностью разобщения каналов подвода и отвода воздуха к седлу упругим элементом, например пружиной, рабочее усилие которой меньше усилия пружины стопа, при этом канал отвода воздуха к рабочим органам сообщен со ступенчатым каналом корпуса, отличающийся тем, что запорный орган, разобщающий каналы подвода и отвода воздуха, выполнен в виде тарели с цилиндрическим хвостовиком, при этом пружина установлена коаксиально хвостовику и выполнена с одним торцом, опирающимся на противоположный седлу торец тарели запорного органа, и другим торцом на установленную в конце корпуса крышку с центральным сквозным цилиндрическим направляющим отверстием, через которое пропущен хвостовик запорного органа, и одним или несколькими отверстиями или пазами для подвода воздуха. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что якорь и стержень соединены между собой с возможностью регулировки хода якоря, например, по резьбе. 3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что его корпус выполнен по крайней мере из двух подвижно соединенных частей, на одной из которых размещена закрытая каркасом электромагнитная обмотка и внутри установлен якорь, а в другой выполнены каналы подвода и отвода воздуха. 4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что торцевая поверхность запорного органа выполнена плоской и в зоне контакта с седлом отформована уплотняющим материалом, а седло выполнено в виде выступа. 5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что торцевая поверхность запорного органа выполнена полусферической и отформована в зоне контакта с седлом уплотняющим материалом, а седло выполнено в виде выступа или конической поверхности, контактирующей с полусферической поверхностью запорного органа по окружности. 6. Клапан по пп.1 5, отличающийся тем, что стержень, соединяющий якорь и запорный орган, жестко соединен со стороны седла с запорным органом или выполнен с ним за одно целое. 7. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что крышка установлена в торце корпуса по резьбе с обеспечением возможности регулировки усилия пружины, поджимающей запорный орган. 8. Клапан по п.1, отличающийся тем, что отношение минимального диаметра переходного отверстия, соединяющего каналы подвода и отвода воздуха, к диаметру соединенного с якорем стержня, проходящего через отверстие, равно 2 - 5. 9. Клапан по п.1, отличающийся тем, что выводы электромагнитной обмотки выполнены на одном из краев боковой поверхности магнитопроводящего каркаса, закрывающего обмотку.