ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 1997 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к машиностроению, более узко к клапанам, устанавливаемым на различных магистралях, трубопроводах и других коммуникациях, а более конкретно к электромагнитным клапана двухседельным разгруженного типа с реверсивной подачей рабочей среды, используемым в качестве запорных органов.

Изобретение может найти применение в самых широких областях техники, например: в энергетике, химической, газовой, пищевой промышленности и т.д.

Известны электромагнитные клапаны, содержащие корпус с внутренней полостью, в которой размещены верхние и нижние седла, перекрываемые соответствующими запорными органами, соединенными общим штоком с нагруженной пружиной, связанным с сердечником электромагнитного привода, а также два патрубка для ввода и вывода рабочей среды (см. например книгу А.Л.Пржиалковского и др. "Электромагнитные клапаны" изд. "Машиностроение", Л. 1967, стр. 24, 25, рис. 6).

В данном клапане патрубки напрямую связаны с его внутренней полостью, запорные органы у клапана выполнены в виде плоских затворов.

Данный клапан характеризуется достаточно высокими габаритными и весовыми характеристиками из-за того, что только одно седло работает на выпуск, что потребует большего проходного сечения для прохода рабочей среды и большего усилия привода, а этом, в свою очередь, приведет к увеличению габаритных и весовых характеристик.

Этот клапан недостаточно надежен в эксплуатации и недостаточно герметичен, поскольку в нем плохо обеспечена самоустановка запорных органов (не устройств регулирующих установку запорных органов, возможны перекосы штока).

Известны также электромагнитные клапаны, содержащие корпус с внутренней полостью, в которой размещены два седла, перекрываемые двумя запорными органами, соединенными общим штоком с нагруженной пружиной, связанным с сердечником электромагнитного привода, а также два патрубка для ввода и вывода рабочей среды, один из которых соединен с внутренней полостью посредством горизонтального канала (см. патент ФРГ N 3106730 кл. F16K 1/44 1983).

В указанном клапане второй патрубок непосредственно примыкает к внутренней полости. Запорные органы не имеют цилиндрических участков, шток не имеет звеньев и сферических участков.

Данный клапан выбран за прототип.

Однако и этот клапан так же, как и предыдущий аналог, характеризуется большими весом и габаритами, ненадежностью в эксплуатации и низкой герметичностью по изложенным выше причинам.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение создание разгруженного двухседельного клапана реверсивного типа с экономичным электромагнитным приводом, работающего на высоких давлениях (порядка 350 ата) газообразной взрывоопасной рабочей среды в качестве запорного органа.

Технический результат, достигаемый изобретением снижение весовых и габаритных характеристик, повышение эксплуатационной надежности и герметичности при работе на высоких давлениях рабочей среды.

Данный технический результат достигается тем, что в электромагнитном клапане, содержащем корпус с внутренней полостью, в которой размещены верхнее и нижнее седла, перекрываемые соответствующими запорными органами, соединенными общим штоком с нагруженной пружиной, связанным с сердечником электромагнитного привода, и два патрубка для ввода и вывода рабочей среды, верхнее седло выполнено в виде перевернутого стакана, нижняя часть внутренней поверхности которого снабжена резьбой, а нижнее седло выполнено с наружной боковой поверхностью, имеющей форму, соответствующую форме внутренней поверхности стакана с ответной резьбой в нижней части, и установлена с возможностью осевого перемещения внутри стакана, при этом нижний запорный орган также установлен в полости стакана.

Данный технический результат в частных случаях достигается также тем, что шток выполнен трехзвенным с центральным звеном, верхний конец которого имеет расширяющуюся коническую выемку, а нижний сферический участок, и двумя периферийными звеньями, имеющими на сопряженных с центральным звеном концах соответственно сферический участок и расширяющийся коническую выемку, при этом упомянутые сферические участки установлены с упомянутыми расширяющимися коническими выемками с образованием шарнирных соединений; каждый запорный орган выполнен из горизонтального основания, переходящего в цилиндрический участок, и имеет цилиндрическую полость внутри, при этом наружная поверхность цилиндрического участка выполнена резьбовой и снабжена накидной гайкой, а один из концов центрального звена штока и соответствующий конец периферийного звена расположены внутри упомянутой полости; один из патрубков соединен с внутренней полостью корпуса посредством выполненных в нем диагональных каналов размещенных под углом к горизонтали, равным 15 45^o; нижняя часть горизонтального основания каждого запорного органа в зоне примыкания его к седлу снабжена эластичным уплотнением, закрепленным посредством металлической фигурной накладки толщиной 0,6 0,8 мм, при этом основание по периферии имеет равномерно расположенные сквозные калиброванные отверстия, а под основанием выполнена кольцевая полость примыкающая к эластичному уплотнению и к металлической фигурной накладке и соединенная с упомянутыми отверстиями; шток в зоне цилиндроконических полостей снабжен буртами, а каждая накидная гайка установлена с возможностью контакта своей внутренней поверхностью с упомянутыми буртами.

Все вышеперечисленные существенные признаки находятся между собой в причинно-следственной связи.

На фиг. 1 схематически изображен описываемый электромагнитный клапан.

На фиг. 2 показан узел расположения запорных органов и седел описываемого клапана в увеличенном масштабе.

Клапан содержит корпус 1 с внутренней полостью 2, в которой размещены два седла (верхнее 3, нижнее 4), перекрываемые двумя запорными органами (соответственно верхним 5 и нижним 6), диаметры седел равны. Запорные органы соединены с общим штоком. Шток может быть выполнен трехзвенным: из центрального звена 7 и двух периферийных звеньев (верхнего 8, нижнего 9), и имеет нагруженную пружину 10, которая прижимает верхний запорный орган 5 к седлу 3. Клапан имеет электромагнитный привод с магнитопроводом 11, катушкой 12, стопом 13 и сердечником 14. Шток (его верхнее периферийное звено 8) соединен с сердечником 14 на резьбе с помощью накидной гайки 15. Каждый запорный орган выполнен из горизонтального основания 16, переходящего в цилиндрический участок 17. Внутри каждого запорного органа выполнена цилиндроконическая полость (у запорного органа 5 полость 18, у запорного органа 6 полость 19). Наружная поверхность цилиндрических участков 17 выполнена резьбовой и снабжена накидной гайкой (соответственно для верхнего запорного органа гайкой 20, для нижнего гайкой 21). Верхнее периферийное звено 8 штока имеет сферический участок 22, расположенный в цилиндрической полости 18, а центральное звено 7 имеет сферический участок 23, расположенный в цилиндроконической полости 19 запорного органа 6. Центральное звено 7 штока имеет на верхнем конце расширяющуюся коническую выемку 24, а периферийное звено 9 расширяющуюся сферическую выемку 25. Каждая выемка завальцована в соответствующем запорном органе 5, 6, при этом выемка 24 входит в контакт со сферическим участком 22 верхнего периферийного звена 8 штока, а выемка 25 входит в контакт со сферическим участком 23. Таким образом сферический участок 22 штока образует с выемкой 24 шарнирное соединение с возможностью перемещения его элементов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Такое же шарнирное соединение образует сферический участок 23 и выемка 25. Гайка 21 имеет стопорный винт 26. Звенья 7, 8 штока выполнены в зоне цилиндроконических полостей 18, 19 с буртами 27, 28. Внутренняя поверхность 29 накидной гайки 20 установлена с зазором b по отношению к бурту 27, а внутренняя поверхность 30 накидной гайки 21 контактирует с буртом 28.

Клапан содержит также два патрубка 31, 32 для рабочей среды, которая может подаваться и соответственно отводится по любому из этих патрубков. Патрубок 31 соединен с внутренней полостью 2 посредством горизонтального канала 33, а патрубок 32 (через ступенчатый канал 34) соединен с этой же полостью 2 посредством автономных каналов 35, 36, выполненных в корпусе 1 клапана и расположенных преимущественно диагонально под углом 15 45^o к горизонтали. Шток (в частном случае его верхнее периферийное звено 8) снабжен уплотнительной втулкой 37, выполненной с расширяющейся двухступенчатой полостью внутри, в нижней ступени 38 которой размещен пакет уплотнительных (преимущественно фторопластовых) прокладок 39, а в верхней ступени пружина 40 сжатия. Верхнее седло 3 выполнено в виде перевернутого стакана, расположенного в корпусе соосно штоку. Нижняя часть внутренней поверхности стакана снабжена резьбой 42, а нижнее седло 4 выполнено с наружной боковой поверхностью, имеющую форму, соответствующую форме внутренней поверхности стакана с ответной резьбой 42 в нижней части. Седло 4 установлено с возможностью осевого перемещения внутри стакана, при этом нижний запорный орган 6 также установлен внутри стакана.

Нижняя часть горизонтального основания 16 каждого запорного органа в зоне примыкания его к седлу (3, 4) снабжена эластичным уплотнением 43, преимущественно резиновым, закрепленным посредством металлической фигурной накладки 44, толщиной 0,6 0,8 мм, которая соединена (например, пайкой) с основанием запорного органа. Основание 16 по периферии имеет равномерно расположенные сквозные калиброванные отверстия 45, а под основанием 16 выполнена кольцевая полость 46, примыкающая к эластичному уплотнению 43 и к металлической фигурной накладке, что при наличии в ней газа под давление 350 ата, способствует герметичности уплотнения 43. У накидной гайки 20 предусмотрена кольцевая площадка 47 на которой установлена одним концом нагруженная пружина 10, вторым концом упирающаяся в бурт 48. Шток в седлах установлен с осевым кольцевым зазором, образующим полости 49, 50, связанные с автономными каналами 35, 36. Полость 50 соединена с каналом 36 горизонтальными сверлениями 51.

Описанное трехзвенное выполнение штока обеспечит эффективную самоустановку запорных органов и предотвращает какие-либо возможные перекосы штока.

Электромагнитный клапан работает следующим образом.

Рабочей средой для данного клапана является преимущественно взрывоопасный газ, например, пропан, бутан, находящийся под давление до 350 ата. Газ может быть подан в любой из патрубков 31, 32. В нерабочем положении в первом случае газ будет прижимать запорный орган 6 к седлу 4, воздействуя на наружную поверхность основания 16, на запорный орган 5 в этом случае будет воздействовать нагруженная пружина 10, прижимая его к седлу 3. Во втором случае (при подаче газа в патрубок 32) газ будет воздействовать на наружную поверхность основания 16 запорного органа 5, а пружина 10 будет воздействовать на запорный орган 6. При этом усилие воздействия пружины 10 сверху на запорные органы, должно превышать давление газа на эти же запорные органы снизу.

Диаметры проходных сечений седел равны, поэтому клапан полностью разгружен.

Перемещая нижнее седло 4 по резьбовой поверхности 42 (которое осуществляется заранее на стенде), устанавливают такое взаимное расположение седел 3, 4, которое обеспечивает либо одновременное опускание запорных органов 5, 6 на седла 3, 4, либо опускание запорного органа 5 с незначительным опережением.

Таким образом, в данном клапане обеспечивается саморегулирование запорных органов. Аналогичный процесс происходит и при отрыве запорных органов от седел: вначале отрывается запорный орган 5 от седла 3, а затем запорный орган 6 от седла 4, либо запорные органы отрываются от седел одновременно.

Открытие клапана.

В варианте, когда газ под давлением (до 350 ата) находится в патрубке 31.

На катушку 12 подается напряжение. Под действием магнитного силового поля сердечник 14 перемещается вверх, преодолевая усилие нагруженной пружины 10 и выбирая зазор b отрывает запорный орган 5 от седла 3 и запорный орган 6 от седла 4, при этом (как было показано выше) оба запорных органа открываются либо одновременно, либо вначале открывается запорный орган 5 (с незначительным опережением). Рабочая среда (взрывоопасный газ, например, пропан) через проходные сечения седел, полости 49, 50, горизонтальные сверления 51, автономные каналы 35, 36 и через ступенчатый канал 34 попадет в патрубок 32 (а оттуда к потребителю), при этом зазор b между буртом 27 и внутренней поверхностью 29 гайки 20 выбран.

В варианте, когда газ под давлением (до 350 ата) находится в патрубке 32 и соответственно в автономных каналах 35, 36, открытие клапана происходит аналогичным образом и газ из этих каналов попадает через проходные сечения седел 3, 4 во внутреннюю полость 2 клапана, а затем по горизонтальному каналу 33 в патрубок 31, а оттуда к потребителю.

Закрытие клапана.

Обесточивается катушка 12, нагруженная пружина прижимает запорный орган 5 к седлу 3 и соответственно запорный орган 6 к седлу 4, при этом между буртом 27 и поверхностью 29 гайки 20 будет зазор b. Проход для истечения рабочей среды перекрыт, клапан закрыт.

В настоящее время изготовлен макет описанного электромагнитного клапана с диаметром условного прохода 10 мм и на рабочее давление 350 кгс/см². Этот макет прошел эксплуатационные испытания с рабочей средой пропан, бутан, природный газ, азот, которые показали его высокую надежность. По результатам испытаний МНТП "криогенная технология" приступает к выпуску опытной партии.

Использование: в арматуростроении, в качестве запорной арматуры на различных магистралях в условиях реверсивной подачи рабочей среды. Сущность изобретения: в корпусе электромагнитного клапана установлены верхнее и нижнее седла, перекрываемые запорными органами. Верхнее седло выполнено в виде перевернутого стакана. Нижнее седло установлено в полости стакана с возможностью осевого перемещения, седла соединены по резьбе, выполненной на нижней части внутренней поверхности верхнего седла и наружной поверхности нижнего седла. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитный клапан, содержащий корпус с внутренней полостью, в которой размещены верхнее и нижнее седла, перекрываемые соответствующими запорными органами, соединенными общим штоком с нагруженной пружиной, связанные с сердечником электромагнитного привода, и два патрубка для ввода и вывода рабочей среды, отличающийся тем, что верхнее седло выполнено в виде перевернутого стакана, нижняя часть внутренней поверхности которого снабжена резьбой, а нижнее седло выполнено с наружной боковой поверхностью, имеющей форму, соответствующую форме внутренней поверхности стакана с ответной резьбой в нижней части, и установлено с возможностью осевого перемещения внутри стакана, при этом нижний запорный орган также установлен в полости стакана. 2. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что шток выполнен трехзвенным с центральным звеном, верхний конец которого имеет расширяющуюся коническую выемку, а нижний сферический участок, и двумя периферийными звеньями, имеющими на сопряженных с центральным звеном концах соответственно сферический участок и расширяющуюся коническую выемку, при этом упомянутые сферические участки установлены с упомянутыми коническими выемками с образованием шарнирных соединений. 3. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что каждый запорный орган выполнен из горизонтального основания, переходящего в цилиндрический участок, и имеет цилиндроконическую полость внутри, при этом наружная поверхность цилиндрического участка выполнена резьбовой и снабжена накидной гайкой, а один из концов центрального звена штока и соответствующий сферический участок периферийного звена расположены внутри упомянутой полости. 4. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что один из патрубков соединен с внутренней полостью корпуса посредством выполненных в нем диагональных каналов, размещенных под углом к горизонтали, равным 15 - 45^o. 5. Электромагнитный клапан по пп. 1 3, отличающийся тем, что нижняя часть горизонтального основания каждого запорного органа в зоне примыкания его к седлу снабжена эластичным уплотнением, закрепленным посредством металлической фигурной накладки толщиной 0,1 0,2 мм, при этом основание по периферии имеет равномерно расположенные сквозные калиброванные отверстия, а под основанием выполнена кольцевая полость, примыкающая к эластичному уплотнению и к металлической фигурной накладке и соединенная с упомянутыми отверстиями. 6. Электромагнитный клапан по пп.1 3, отличающийся тем, что шток в зоне цилиндроконических полостей снабжен буртами, а каждая накидная гайка установлена с возможностью контакта своей внутреней поверхностью с упомянутыми буртами.