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 клапанам 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 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 (см. например книгу А.Л. Пржиалковского и др. "Электромагнитные клапаны" изд. "Машиностроение", Л. 1967, с. 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 это, 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 (нет устройств регулирующих установку запорных органов, возможны перекосы штока).

Известны также электромагнитные клапаны, содержащий 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. F 16 K 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, содержащим 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, верхнее седло установлено с вертикальным зазором между своим днищем и корпусом и по периферии упомянутого зазора размещена регулировочная жесткая прокладка, при этом второй патрубок соединен с внутренней полостью клапана посредством двух автономных каналов, выполненных в стенке корпуса, а шток снабжен уплотнительной втулкой, выполненной с расширяющейся книзу двухступенчатой полостью внутри, в нижней ступени которой размещен пакет уплотнительных прокладок, а в верхней ступени пружина сжатия.

Данный технический результат в частных случаях достигается также 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 pезьбовой и снабжена накидной гайкой; автономные каналы, соединяющие один из патрубков для рабочей среды с внутренней полостью корпуса выполнены диагональными, размещенными под углом 15 45^o к горизонтали; 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; шток в зоне, по крайней мере, одной из цилиндроконических полостей запорного органа имеет сферический участок; по крайней мере, в одной из цилиндроконических полостей запорного органа размещено сферическое тело, установленное в контакте со штоком и образующее с последним шарнирное соединение; шток выполнен трехзвенным с центральным звеном и двумя периферийными звеньями, при этом концы центрального звена выполнены с расширяющимися коническими выемками, входящими в контакт со сферическими участками периферийных звеньев; шток выполнен трехзвенным с центральным звеном и двумя периферийными звеньями, при этом концы центрального звена выполнены с расширяющимися коническими выемками, входящими в контакт со сферическим телом и со сферическим участком одного из периферийных звеньев); шток в зоне цилиндроконических полостей снабжен буртами, а каждая накидная гайка установлена с возможностью контакта своей внутренней поверхностью с упомянутыми буртами.

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 выполнено цилиндроконическая полость (у запорного органа 5 полость 18, у запорного органа 6 полость 19). Наружная поверхность цилиндрических участков 17 выполнено резьбовой и снабжена накидной гайкой (соответственно для верхнего запорного органа гайкой 20, для нижнего гайкой 21). Шток (в иллюстрируемом примере его верхнее периферийное звено 8) имеет сферический участок 22, расположенный в цилиндроконической полости 8. В цилиндроконической полости 19 запорного органа 6 расположено сферическое тело 23. Центральное звено 7 штока имеет на концах расширяющиеся конические выемки 24, 25, при этом выемка 24 входит в контакт со сферическим участком 22 верхнего периферийного звена 8 штока, а выемка 25 входит в контакт со сферическим телом 23. Нижнее периферийное звено 9 также имеет на конце расширяющуюся коническую выемку 26, контактирующую с телом 23. Таким образом звенья 7, 9 штока образуют со сферическим телом 23 шарнирное соединение. Звенья 8, 7 штока выполнены в зоне цилиндроконических полостей 18, 19 с буртами 27, 28. Между внутренней поверхностью 29 гайки 20 и буртом 27 образован зазор, который выбирается при движении штока вверх. Между коническими расширяющимися выемками 25, 26 и сферическим телом 23 после контакта внутренней поверхности 30 накидной гайки 21 с буртом 28 образуется шарнирное соединение с возможностью перемещения его элементов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Аналогичное соединение образовано между сферическим выступом 22 и расширяющейся конической выемкой 24.

Клапан содержит также два патрубка 31, 32 для рабочей среды, которая может подаваться и соответственно отводится по любому патрубку. 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 установлено с вертикальным зазором 41, между его днищем и корпусом 1, по периферии которого размещена регулировочная жесткая прокладка 42, преимущественно стальная. 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 при давлении 350 ата, способствует герметичности уплотнения 43. У накладной 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.

Изобретение предусматривает варианты, когда оба периферийных звена штока могут иметь сферические участки, либо обе цилиндрические полости иметь сферические тела. 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 случает 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.

Диаметр проходных сечений седел равны, поэтому клапан полностью разгружен.

Подбирая необходимую высоту регулировочной жесткой прокладки, можно обеспечить условия одновременного (или с опережением верхнего) опускания запорных органов на седла то есть в данном клапане обеспечивается саморегулирование запорных органов, аналогичный процесс происходит и при отрыве запорных органов от седел: вначале открывается запорный орган 5 от седла 3, а затем запорный орган 6 от седла 4, либо оба запорные органы отрывают 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 между 27 и внутренней поверхностью 29 гайки 20, отрывает запорный орган 5 от седла 3 и запорный орган 6 от седла 4, при этом (как было показано выше) оба запорных органов 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, автономные каналы 35, 36 и через ступенчатый канал 34 попадает в патрубок 32 (а оттуда к потребителю).

В варианте, когда газ под давлением (до 350 ата) находится в патрубке 32 и соответственно в полостях 49, 50, открытие клапана происходит аналогичным образом и газ из полостей 49, 50 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 3 к седлу 5 и соответственно запорный орган 4 к седлу 6. 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, может быть применено в качестве запорной арматуры в системах с реверсивной подачей рабочей среды. Сущность изобретения: в полости корпуса электромагнитного клапана размещены два седла, перекрываемые двумя запорными органами, соединенными общим штоком, связанным с сердечником привода. Верхнее седло установлено с образованием с корпусом зазора, в котором размещена регулировочная прокладка. В стенке корпуса под углом 15 - 45^o выполнены два канала, сообщающие с полостью корпуса один из патрубков. На штоке установлена уплотнительная втулка, выполненная с расширяющейся двухступенчатой полостью. В нижней ступени большего диаметра размещен пакет уплотнительных прокладок, в верхней - пружина сжатия. Каждый запорный орган выполнен из горизонтального основания, переходящего в цилиндрический участок. На поверхности запорного органа, обращенной к седлу, установлено эластичное уплотнение, закрепленное металлической фигурной накладкой. В цилиндрическом участке выполнена полость, а на его наружной поверхности выполнена резьба и установлена накидная гайка. Шток выполнен трехзвенным с центральным звеном и двумя периферийными. Концы центрального звена выполнены с расширяющимися коническими выемками, входящими в контакт со сферическими участками периферийных звеньев. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитный клапан, содержащий 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, отличающийся тем, что верхнее седло установлено с вертикальном зазором между своим днищем и корпусом и по периферии упомянутого зазора размещена регулировочная жесткая прокладка, при этом второй патрубок соединен с внутренней полостью клапана посредством двух автономных каналов, выполненных в стенке корпуса, а шток снабжен уплотнительной втулкой, выполненной с расширяющейся книзу двухступенчатой полостью внутри, в нижней ступени которой размещен пакет уплотнительных прокладок, а в верхней ступени - пружина сжатия. 2. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что 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. 3. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что автономные каналы, соединяющие один из патрубков для рабочей среды с внутренней полостью корпуса, выполнены диагональными, размещенными под углом 15 45^o к горизонтали. 4. Электромагнитный клапан по пп.1 и 2, 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. 5. Электромагнитный клапан по пп.1 и 2, отличающийся тем, что шток в зоне по крайней мере одной из цилиндроконических полостей запорного органа имеет сферический участок. 6. Электромагнитный клапан по пп.1 и 2, отличающийся тем, что по крайней мере в одной из цилиндроконических полостей запорного органа размещено сферическое тело, установленное в контакте со штоком и образующее с последним шарнирное соединение. 7. Электромагнитный клапан по пп.1, 2, 5, отличающийся тем, что шток выполнен трехзвенным с центральным звеном и двумя периферийными звеньями, при этом концы центрального звена выполнены с расширяющимися коническими выемками, входящими в контакт со сферическими участками периферийных звеньев. 8. Электромагнитный клапан по пп. 1, 2, 5, 6, отличающийся тем, что шток выполнен трехзвенным с центральным звеном и двумя периферийными звеньями, при этом концы центрального звена выполнены с расширяющимися коническими выемками, входящими в контакт со сферическим телом и со сферическим участком одного из периферийных звеньев. 9. Электромагнитный клапан по пп.1, 2, 5, 6, 7, отличающийся тем, что шток в зоне цилиндроконических полостей снабжен буртами, а каждая накидная гайка установлена с возможностью контакта своей внутренней поверхностью с упомянутыми буртами.