ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК F16K3/08 

Изобретение относится к общему машиностроению, а именно к регулирующей трубопроводной арматуре, и может быть использовано для управления расходом жидкой или газообразной среды в различных технологических процессах, например, в центральных и индивидуальных тепловых пунктах отопительных тепловых сетей для автоматического регулирования расхода теплоносителя.

Известна задвижка, содержащая корпус, установленное в корпусе перпендикулярно его оси неподвижное седло с проходными окнами, контактирующий с седлом поворотный дисковый запорно-регулирующий орган и узел передачи перестановочных усилий от привода, выполненный в виде конической зубчатой передачи и связанного с сервоприводом уплотненного шпинделя [1]
Недостатки такого устройства заключаются в сложности конструкции и ненадежности механизма поворота запорно-регулирующего органа, а также недостаточной точности регулирования.

Известно также запорно-регулирующее устройство, содержащее корпус, установленное в корпусе перпендикулярно его оси неподвижное седло с проходными окнами, контактирующий с седлом поворотный дисковый запорно-регулирующий орган и узел передачи перестановочных усилий от привода с по крайней мере одним герметичным корпусом-стаканом, полость которого сообщена с полостью корпуса, выполненный в виде охватывающего запорно-регулирующий орган хомута, связанного с корпусом посредством элементов, передающих от привода на концы хомута синхронные встречно направленные и различные по амплитуде колебания [2]
Данное решение наиболее близко к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа.

Недостатки прототипа заключаются в малой надежности узла передачи перестановочных усилий, связующие элементы которого, во-первых, расположены в регулируемой среде, во-вторых, должны обеспечить сжатие и последующее угловое перемещение хомута в результате одновременного воздействия двух противоположно направленных и различных по амплитуде импульсных управляющих усилий, и недостаточной долговечности хомута, испытывающего знакопеременные деформации относительно высокой частоты.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности работы устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в запорно-регулирующем устройстве, содержащем корпус, установленное в корпусе перпендикулярно его оси неподвижное седло с проходными окнами, контактирующий с седлом поворотный дисковый запорно-регулирующий оpган и узел передачи перестановочных усилий от привода с по крайней мере одним герметичным корпусом-стаканом, полость которого сообщена с полостью корпуса, выполненный в виде охватывающего запорно-регулирующий орган хомута, связанного с корпусом-стаканом посредством элементов, передающих от привода на концы хомута синхронные встречно направленные колебания, хомут выполнен из двух жестких частей, каждый герметичный корпус-стакан узла передачи перестановочных усилий выполнен из эластичного материала, элементы, передающие на концы хомута синхронно встречно направленные колебания, установлены с возможностью взаимодействия с ним, причем амплитуды упомянутых колебаний равны между собой, а снаружи каждого корпуса-стакана установлены дополнительные элементы, передающие от привода через каждый корпус-стакан на взаимодействующие с ним концы хомута синхронизированные с упомянутыми выше колебаниями дополнительные управляющие импульсы.

Надежность и долговечность работы устройства достигается благодаря тому, что хомут выполнен из двух жестких частей, каждый герметичный корпус-стакан узла передачи перестановочных усилий выполнен из эластичного материала, элементы, передающие на концы хомута синхронные встречно направленные колебания, установлены с возможностью взаимодействия с ним, причем амплитуды упомянутых колебаний равны между собой, а снаружи каждого корпуса-стакана установлены дополнительные элементы, передающие от привода через каждый корпус-стакан на взаимодействующие с ним концы хомута синхронизированные с упомянутыми вше колебаниями дополнительные управляющие импульсы.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями в данной области не выявило в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображено предлагаемое запорно-регулирующее устройство (вариант 1) в положении полного закрытия, продольный разрез; на фиг. 2 то же, разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 изображено предлагаемое запорно-регулирующее устройство (вариант 2) в положении полного закрытия, продольный разрез; на фиг. 4 то же, разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5-9 показаны этапы работы узла передачи перестановочных усилий предлагаемого устройства при выполнении шага запорно-регулирующего органа в сторону открытия.

В корпусе 1 запорно-регулирующего устройства (клапана), выполненном в виде участка трубопровода, перпендикулярно его оси установлены неподвижное седло 2 с проходными окнами 3 и постоянно контактирующий с седлом поворотный дисковый запорно-регулирующий орган (золотник) 4 с проходными окнами 5. Седло 2 и золотник 4 разделяют клапан на напорную 6 и сливную 7 полости. Радиальный подшипник 8 выполнен таким образом, что не препятствует золотнику самоустанавливаться относительно седла.

Для поворота золотника 4 служат установленное вне клапана и не показанное на чертежах устройство управления (привод), формирующее управляющие, например, электрические импульсы, и узел передачи перестановочных усилий от привода. Последний содержит, по крайней мере, один (см. вариант, фиг. 1 и 2) выполненный из эластичного материала герметичный корпус-стакан 9, сообщающийся с внутренней полостью корпуса 1, охватывающий золотник 4 хомут, выполненный из двух жестких частей 10 и 11, свободные концы которых 12 и 13 расположены внутри корпуса-стакана, и установленные вне корпуса-стакана элементы 14, 15, 16, 17, 18, передающие на концы хомута от привода синхронизированные между собой управляющие импульсы. Фланец 19 обеспечивает герметичность соединения эластичного корпуса-стакана 9 с корпусом 1 клапана. В варианте 2 (см. фиг. 3 и 4) узел передачи перестановочных усилий содержит два корпуса-стакана 9.

В варианте 1 клапана жесткие части 10 и 11 хомута шарнирно соединены между собой, в варианте 2 шарнирное соединение отсутствует, клапан симметричен относительно горизонтальной и вертикальной осей.

Элементы 14 и 15 служат для передачи от устройства управления на концы хомута синхронных встречно направленных и равных по амплитуде колебаний. В изображенных на чертежах в качестве примера вариантах клапана эти элементы показаны в виде пьезоэлементов, каждый из которых одним своим концом связан с жестким кольцом 16, выполненным из электротехнической стали, а вторым с эластичным корпусом-стаканом 9. На пьезоэлементы можно подавать электрические импульсы от устройства управления.

Конструктивно связь пьезоэлементов 14 и 15 с жестким кольцом16 может быть выполнена таким образом, чтобы эти элементы удерживали кольцо 16 от перемещения относительно продольной оси корпуса-стакана, как это показано на фиг. 5. Верхняя часть кольца может также иметь, например, жесткую опорную втулку, надеваемую на днище корпуса-стакана. Возможны и другие многочисленные конструктивные решения.

Элементы 17 и 18, служащие для передачи на золотник перестановочных усилий, показаны в виде взаимодействующих с магнитопроводящим кольцом 16 электромагнитов, на электрические обмотки (катушки) которых можно подавать электрические импульсы от устройства управления.

Действие установленных вне эластичного корпуса-стакана элементов, передающих на концы хомута от устройства управления синхронизированные между собой управляющие импульсы, может быть основано на других принципах, сами эти элементы могут иметь различное устройство.

Запорно-регулирующее устройство (клапан) работает следующим образом.

Регулируемая среда под давлением поступает в напорную полость 6 клапана и выходит в сливную полость 7 через отверстия, образующиеся при совпадении проходных окон 3 и 5 седла 2 и золотника 4. Поворотом последнего вокруг своей оси можно изменять площадь этих отверстий, благодаря чему осуществляется регулирование расхода. Профиль окон определяет расходную характеристику клапана. В закрытом положении золотник полностью перекрывает окна в седле. Плоские уплотнительные поверхности золотника и седла притерты друг к другу. Перепадом давлений золотник прижимается к седлу, что обеспечивает плотность клапана.

Для изменения степени открытия клапана на пьезоэлементы 14 и 15 (см. фиг. 2, 4 и 5) от устройства управления (привода) подают сфазированные между собой импульсные напряжения одинаковой амплитуды. Под действием этих напряжений пьезоэлементы периодически удлиняются и укорачиваются. В моменты их удлинения эластичный корпус-стакан 9 деформируется, а расположенные в нем концы хомута 12 и 13 воспринимают соответствующие встречно направленные равные по величине силовые воздействия, благодаря которым они сближаются, хомут снимается и плотно охватывает золотник. При этом концы хомута, корпус-стакан, пьезоэлемент и магнитопроводящее кольцо 16 оказываются жестко связанными между собой. В моменты укорочения пьезоэлементов хомут разжимается, разрывается жесткая связь как внутри кольца 16, так и между хомутом и золотником.

Если требуется открывать клапан, сфазированные между собой электрические управляющие импульсы подают, помимо пьезоэлементов, также и на электромагнит 17. В моменты удлинения пьезоэлементов электромагнит притягивает к себе магнитопроводящее кольцо 16 вместе с жестко связанными с ним пьезоэлементами, корпусом-стаканом и концами хомута.

Эластичный корпус-стакан деформируется, золотник вместе с плотно охватывающим его хомутом поворачивается на небольшой угол против часовой стрелки. В моменты укорочения пьезоэлементов электромагнит 17 обесточивается, восстанавливается первоначальная форма корпуса-стакана, все элементы, передающие перестановочные усилия, в том числе и хомут, уже не связанный с золотником, возвращаются в исходное положение.

Таким образом, каждый импульс управляющего напряжения обеспечивает поворот золотника на один шаг против часовой стрелки и возвращение всех элементов, передающих перестановочные усилия, в исходное положение.

Фиг. 5-9 иллюстрируют поэтапную работу узла передачи перестановочных усилий при выполнении шага золотника в сторону открытия.

Фиг. 5. Клапан и узел передачи перестановочных усилий в исходном состоянии. Нет напряжения на пьезоэлементах 14, 15 и на электромагнитах 17, 18. Герметичный корпус-стакан 9 симметричен относительно вертикальной оси, части 10, 11 жесткого хомута и их концы 12, 13 расположены свободно, что подчеркнуто на чертеже изображением зазоров между ними и золотником 4 и корпусом-стаканом 9. На золотнике произвольно выделена точка Б, расположенная на вертикальной оси.

Фиг. 6. На пьезоэлементы 14 и 15 от устройства управления поданы равные по величине управляющие напряжения. Длина пьезоэлементов увеличилась, эластичный корпус-стакан 9 деформирован, но сохраняет симметричность относительно вертикальной плоскости, концы хомута 12, 13 воспринимают через корпус-стакан встречно направленные равные по величине усилия от пьезоэлементов, жесткие части 10, 11 хомута с большой силой прижаты к золотнику. Оставшийся неподвижным золотник, половины хомута, корпус-стакан, пьезоэлементы и магнитопроводящее кольцо 16 жестко связаны между собой.

Фиг. 7. Управляющее напряжение от устройства управления подано, помимо пьезоэлементов, также и на электромагнит 17. Магнитопроводящее кольцо 16 притянуто к электромагниту. Вместе с кольцом благодаря жесткой связи между ними переместились пьезоэлементы, эластичный корпус-стакан дополнительно деформирован и потерял симметричность относительно вертикальной плоскости, хомут и золотник повернуты против часовой стрелки на угол α. Произошел один небольшой шаг золотника в сторону открытия клапана, обозначенная на золотнике точка Б переместилась на небольшое расстояние в связи с поворотом золотника против часовой стрелки.

Фиг. 8. Снято управляющее напряжение с пьезоэлементов, уменьшилась их длина. Кольцо 16 по-прежнему притянуто к электромагниту 17, но деформация корпуса-стакана уменьшена, разорвана жесткая связь между корпусом-стаканом, частями хомута и золотником, что подчеркнуто на чертеже наличием зазоров между ними. Золотник по-прежнему остается в повернутом на угол α в сторону открытия положении, обозначенная точка Б смещена относительно вертикальной оси.

Фиг. 9. Снято управляющее напряжение с электромагнита 17. Восстановилась первоначальная форма герметичного корпуса-стакана, вместе с ним заняли первоначальное положение пьезоэлементы и жесткое кольцо 16, свободные части хомута под воздействием корпуса-стакана также повернулись по часовой стрелке. Хотя между ними и воздействовавшим на них корпусом-стаканом нет зазора, половины хомута расположены свободно и не прижаты к золотнику, который остался в повернутом на один шаг положении, так как его удерживает от поворота трение между ним и седлом, обусловленное усилием прижатия золотника к седлу под действием перепада давлений до и после клапана. Шаг завершен, узел передачи перестановочных усилий готов к приему новых импульсов управляющего напряжения и к выполнению следующего шага.

Под действием управляющих импульсов золотник небольшими угловыми перемещениями поворачивается против часовой стрелки (в сторону открытия клапана) до тех пор, пока не будет прекращена подача управляющих импульсов на пьезоэлементы и электромагнит 17. Скорость открытия определяется частотой управляющих импульсов и величиной шага.

Для закрытия клапана управляющие электрические импульсы подают на пьезоэлементы и электромагнит. Процесс закрытия аналогичен открытию.

Предлагаемое запорно-регулирующее устройство (клапан) имеет следующие преимущества перед прототипом:
повышенную надежность благодаря разделению функций сжатия и поворота хомута путем введения дополнительных элементов, передающих на концы хомута управляющие усилия, которые обеспечивают поворот золотника, а также благодаря размещению снаружи корпуса (вне регулируемой среды) всех связующих элементов, обеспечивающих передачу на концы хомута управляющих усилий;
повышенную долговечность благодаря выполнению хомута из двух жестких частей.

Использование: для управления расходом жидкой или газообразной среды в технологических процессах. Сущность изобретения: в корпусе перпендикулярно его оси установлено неподвижное седло с проходными окнами. С седлом контактирует поворотный запорно-регулирующий орган. Полость герметичного корпуса - стакана /КС/ узла передачи перестановочных усилий от привода сообщена с полостью корпуса. КС выполнен в виде охватывающего запорно-регулирующий орган хомута, связанного с КС элементами, передающими от привода на концы хомута синхронные встречно-направленные колебания. Хомут выполнен из двух жестких частей. Каждый герметичный КС выполнен из эластичного материала. Элементы установлены с возможностью взаимодействия с КС. Амплитуды колебаний равны между собой. Снаружи каждого КС установлены дополнительные элементы, передающие от привода через каждый КС на взаимодействующие с ним концы хомута синхронизирующие выше колебаниями дополнительные управляющие импульсы. 9 ил.

ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее корпус, установленное в корпусе перпендикулярно его оси неподвижное седло с проходными окнами, контактирующий с седлом поворотный запорно-регулирующий орган и узел передачи перестановочных усилий от привода с по крайней мере одним герметичным корпусом-стаканом, полость которого сообщена с полостью корпуса, выполненный в виде охватывающего запорно-регулирующий орган хомута, связанного с корпусом-стаканом посредством элементов, передающих от привода на концы хомута синхронные встречно направленные колебания, отличающееся тем, что хомут выполнен из двух жестких частей, каждый герметичный корпус-стакан узла передачи перестановочных усилий выполнен из эластичного материала, элементы, передающие на концы хомута синхронные встречно направленные колебания, установлены с возможностью взаимодействия с ним, причем амплитуды упомянутых колебаний равны между собой, а снаружи каждого корпуса-стакана установлены дополнительные элементы, передающие от привода через каждый корпус-стакан на взаимодействующие с ним концы хомута синхронизированные с упомянутыми колебаниями дополнительные управляющие импульсы.