ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН Российский патент 1998 года по МПК F16K39/02 

Изобретение относится к области арматуростроения, а именно к запорно-регулирующим клапанам гидравлических систем и, в частности, может быть использовано в гидросистемах управления ковочными и штамповочными прессами, а также в авиационной, судостроительной и других отраслях техники.

Известен запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральным цилиндрическим проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с запорной фаской и коническим хвостовиком, суживающимся в направлении от входного канала к выходному, связанный с управляющим штоком, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием между поверхностями отверстия седла и хвостовика канала, расширяющегося в направлении от входного канала к выходному, и с образованием надклапанной полости между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки корпуса, сообщенной с входным каналом и в открытом положении клапана с выходным каналом. Запорно-регулирующий элемент клапана выполнен с центральным каналом, в котором установлен управляющий шток, и с внутренней цилиндрической выточкой, соосной центральному каналу, причем управляющий шток выполнен двухсторонним, снабжен размещенными в указанной выточке буртом со стороны крышки и запорной фаской разгрузочного клапана со стороны седла, установленными относительно выточки с зазором в осевом направлении, и связан с запорно-регулирующим элементом с ограниченной возможностью перемещения в осевом направлении на величину указанного зазора, при этом на боковой поверхности штока со стороны центрального проходного отверстия седла имеются лыски. Кроме того, надклапанная полость в открытом положении клапана сообщена с выходным каналом через полость цилиндрической выточки и проходное сечение разгрузочного клапана [1].

При отрыве запорно-регулирующего элемента от седла в силу неустановившегося характера движения жидкости в расширяющемся канале между поверхностями отверстия седла и хвостовика возможны колебания запорно-регулирующего элемента в его продольном направлении, сопровождающиеся неуправляемыми изменениями площади проходного сечения клапана и соответственно расхода рабочей жидкости через него, а также повышенным шумом.

Кроме того, при малых площадях проходного сечения между запорно-регулирующим элементом и седлом в указанном сечении возможно снижение давления рабочей жидкости до уровня упругости ее насыщенного пара, что сопровождается выделением из жидкости растворенного в ней газа и парообразованием с последующим схлопыванием пузырьков газа и пара и, соответственно, кавитационным разрушением запорных кромок запорно-регулирующего элемента и седла. Это предопределяет невысокую долговечность рассматриваемого клапана.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является принятый в качестве прототипа запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральным проходным отверстием, суживающимся в направлении от входного канала к выходному, и размещен запорно-регулирующий элемент с запорной фаской и хвостовиком с регулирующей кромкой, связанный с управляющим штоком, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием между поверхностями отверстия седла и хвостовика канала, суживающегося в направлении от входного канала к выходному, и с образованием надклапанной полости между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки, сообщенной с входным каналом и в открытом положении клапана с выходным каналом. Запорно-регулирующий элемент выполнен с центральным каналом, в котором установлен управляющий шток, и с внутренней цилиндрической выточкой, соосной центральному каналу. Шток выполнен двухсторонним, снабжен размещенными в указанной выточке буртом со стороны крышки и запорной фаской разгрузочного клапана со стороны седла, установленными относительно выточки с зазором в осевом направлении, и связан с запорно-регулирующим элементом с ограниченной возможностью перемещения в осевом направлении на величину указанного зазора, при этом на боковой поверхности штока со стороны центрального проходного отверстия седла имеются лыски. Кроме того, надклапанная полость сообщена в открытом положении клапана с выходным каналом через полость цилиндрической выточки и проходное сечение разгрузочного клапана, а регулирующая кромка хвостовика выполнена цилиндрической [2].

Известный запорно-регулирующий клапан имеет следующие недостатки.

При подъеме управляющего штока относительно седла клапана рабочая жидкость получает возможность перетекать из надклапанной полости в выходной канал через проходное сечение, открывшееся между запорно фаской разгрузочного клапана и его седлом, и далее через каналы между лысками штока и поверхностями центрального канала запорно-регулирующего элемента. В результате давление в надклапанной полости уменьшается. В то же время при малом открытии проходного сечения между запорной фаской запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаской седла, когда еще не открыто проходное сечение между регулирующей кромкой хвостовика и центральным проходным отверстием седла или открыто на небольшую величину, давление в канале между поверхностями отверстия седла и хвостовика, поднимается до величины, близкой или равной давлению во входном канале, где оно, как правило, высокое. Под действием возросшей силы давления жидкости, находящейся в канале между поверхностями отверстия седла и хвостовика, запорно-регулирующий элемент смещается относительно своего седла вдоль оси управляющего штока, уменьшая рассогласование между перемещениями штока и запорно-регулирующего элемента. Это влечет за собой уменьшение площади проходного сечения разгрузочного клапана и повышение давления в надклапанной полости, что приводит, в свою очередь, к движению запорно-регулирующего элемента в обратном направлении. Таким образом, при малых открытиях проходного сечения клапана неизбежно возникают продольные колебания запорно-регулирующего элемента, сопровождающиеся неуправляемыми изменениями площади проходного сечения клапана и соответственно расхода рабочей жидкости через него, ударами запорно-регулирующего элемента по своему седлу и по бурту и запорной фаске разгрузочного клапана управляющего штока, а вследствие этого, повышенными шумом и износом клапана, что приводит к снижению надежности клапана.

При отсутствии управляющего сигнала на открытие рассматриваемого клапана его запорно-регулирующий элемент силами давления жидкости прижимается к седлу. Для снижения мощности, необходимой для привода изменения положения запорно-регулирующего элемента, предусмотрен разгрузочный клапан. Тем не менее при больших расходах и давлениях рабочей жидкости требуются значительные усилия на перемещение запорно-регулирующего элемента при открытии, что вызывает необходимость в значительной мощности управляющего привода клапана.

После подъема запорно-регулирующего элемента относительно седла в силу неустановившегося характера движения жидкости через проходные сечения клапана возможны колебания запорно-регулирующего элемента в его продольном направлении. Самопроизвольные продольные колебания запорно-регулирующего элемента анализируемого клапана могут быть вызваны любыми изменениями давления жидкости, действующей на указанный элемент, т.к. в данной конструкции не обеспечивается разгрузка запорно-регулирующего элемента от сил давления жидкости.

Для исключения вышеуказанных явлений и повышения точности управления положением запорно-регулирующего элемента клапана после открытия проходного сечения последнего требуется гарантированный гидравлический поджим запорно-регулирующего элемента к управляющему штоку для реализации их контакта, что также приводит к завышению мощности управляющего привода.

Наличие разгрузочного клапана, размещенного в полости
цилиндрической выточки запорно-регулирующего элемента, усложняет конструкцию.

Нефиксированная установка управляющего штока относительно очки запорно-регулирующего элемента в осевом направлении, во-первых, создает условия для перемещения указанного элемента относительно штока, во-вторых, приводит к потерям времени на выборку зазора между буртом управляющего штока и выточкой запорно-регулирующего элемента в осевом направлении и к перемещению запорно-регулирующего элемента относительно седла с запаздыванием по отношению к моменту начала регулирования, что снижает быстродействие клапана при его открытии.

В то же время в силу установки управляющего штока в центральном канале запорно-регулирующего элемента и выполнения его двухсторонним снижается технологичность конструкции из-за необходимости центрирования штока по поверхности запорно-регулирующего элемента, крышки и корпуса.

Использование управляющего штока запорно-регулирующего элемента, проходящего через полость выходного канал со стороны седла клапана, приводит к тому, что при протекании жидкости через проходное сечение клапана управляющий шток омывается потоком, подвергаясь кавитационному износу, т.к. кавитационные пузырьки, образующиеся в зоне максимального сжатия потока, выносятся в подклапанное пространство. Вместе с тем уменьшается площадь проходного сечения выходного канала, что снижает пропускную способность клапана.

Основной технической задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, характеризующегося пониженным уровнем продольных колебаний запорно-регулирующего элемента, возникающих под действием переменных сил давления жидкости при малом открытии проходного сечения клапана, за счет уравновешивания сил давления жидкости, действующих на запорно-регулирующий элемент.

Следующей технической задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, характеризующегося отсутствием продольных колебаний запорно-регулирующего элемента от воздействия переменных сил гидростатического давления жидкости, возникающих при малом открытии проходного сечения клапана, за счет рационального выбора величины эффективных площадей поверхностей, участвующих в передаче усилия со стороны жидкости на запорно-регулирующий элемент.

Следующей задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, характеризующего практически полным отсутствием продольных колебаний запорно-регулирующего элемента от воздействия переменных сил давления жидкости при любом открытии проходного сечения клапана и пониженной потребной мощностью управляющего привода клапана за счет полной разгрузки запорно-регулирующего элемента от сил гидростатического давления жидкости.

Следующей задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана упрощенной конструкции, характеризующегося перемещением запорно-регулирующего элемента относительно седла без запаздывания по отношению к моменту начала регулирования и повышенной технологичностью, благодаря облегчению центрирования штока, за счет исключения из конструкции раз8рузочного клапана и введения фиксации управляющего штока в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента клапана. Задачей изобретения является также создание запорно-регулирующего клапана, свободного от явления кавитационного износа управляющего штока в результате выполнения управляющего штока односторонним и его размещения за пределами выходного канала со стороны надклапанной полости
Следующей задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, характеризующегося повышенной технологичностью конструкции за счет облегчения центрирования разделительного элемента относительно запорно-регулирующего элемента.

Следующей задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана с уменьшенными габаритами (главным образом, в осевом направлении) при неизменных диаметре седла и величине хода запорно-регулирующего элемента.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральным проходным отверстием, суживающимся в направлении от входного канала к выходному, и размещен запорно-регулирующий элемент с запорной фаской и хвостовиком с регулирующей кромкой, связанный с управляющим штоком, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием между поверхностями отверстия седла и хвостовика канала, суживающегося в направлении от входного канала к выходному, и с образованием надклапанной полости между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки, сообщенной с присоединительным каналом, согласно изобретению клапан выполнен с образованием дополнительной надклапанной полосы, размещенной между поверхностями запорно-регулирующего элемента и детали, зафиксированной в осевом направлении относительно корпуса, сообщенной с каналом между поверхностями отверстия седла и хвостовика, причем эффективные площади запорно-регулирующего элемента со стороны дополнительной надклапанной полости и указанного канала в осевом направлении имеют разные знаки.

Кроме того, в частных случаях выполнения техническая задача достигается за счет следующих признаков.

Согласно изобретению эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны дополнительной надклапанной полости равна площади кольца, наружный диаметр которого равен большему диаметру поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла, а внутренний диаметр равен диаметру регулирующей кромки хвостовика.

Согласно изобретению результирующие эффективные площади запорно-регулирующего элемента со стороны полостей, сообщенных с входным и выходным каналами, выполнены каждая равными нулю без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости, канала между поверхностями отверстия седла и хвостовика и поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента с уплотнительной фаской седла.

Согласно изобретению управляющий шток зафиксирован в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента.

Согласно изобретению дополнительная надклапанная полость размещена в сквозной ступенчатой расточке запорно-регулирующего элемента между поверхностями указанной расточки и цилиндрического ступенчатого разделительного элемента, установленного в ней и зафиксированного относительно корпуса в осевом направлении, а надклапанная полость сообщена только с входным каналом.

Согласно изобретению разделительный элемент выполнен составным из двух частей, одна из которых, большего диаметра, установлена с упором в крышку, а вторая поджата к первой в осевом направлении регулировочным винтом, установленным в корпусе.

Согласно изобретению дополнительная надклапанная полость размещена между дополнительными поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки, а надклапанная полость сообщена только с выходными каналом.

Согласно изобретению запорно-регулирующий элемент выполнен с цилиндрическим выступом на торце со стороны крышки, входящим в расточку, выполненную в крышке, при этом дополнительная надклапанная полость размещена либо между поверхностями расточки, выполненной в крышке, и торцовой части цилиндрического выступа запорно-регулирующего элемента, входящего в указанную расточку, либо между торцовыми поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки.

Согласно изобретению крышка выполнена с цилиндрическим выступом, входящим в расточку, выполненную в запорно-регулирующем элементе, при этом дополнительная надклапанная полость размещена либо между поверхностями расточки, выполненной в запорно-регулирующем элементе, и торцовой части цилиндрического выступа крышки, входящего в указанную расточку, либо между торцовыми поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки.

Выполнение дополнительной надклапанной полости между поверхностями запорно-регулирующего элемента и детали, зафиксированной в осевом направлении относительно корпуса, сообщенной с каналом между поверхностями отверстия седла и хвостовика, создает условия для уравновешивания силы давления жидкости, действующей на запорно-регулирующий элемент со стороны упомянутого канала и направленной в сторону открытия проходного сечения клапана, силой давления жидкости, действующей на тот же элемент со стороны дополнительной надклапанной полости и направленной в противоположную сторону. При этом необходимо, чтобы эффективные площади запорно-регулирующего элемента со стороны дополнительной надклапанной полости и канал между поверхностями отверстия седла и хвостовика в осевом направлении имели разные знаки. В результате в случае изменения давления в указанном канале при малом открытии проходного сечения клапана достигается снижение продольных колебаний запорно-регулирующего элемента, возникающих под действием переменных сил давления жидкости при малом открытии проходного сечения клапана.

При равенстве эффективных площадей запорно-регулирующего элемента со стороны дополнительной надклапанной полости и со стороны канала между поверхностями отверстия седла и хвостовика с учетом поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента с уплотнительной фаской седла - продольные колебания запорно-регулирующего элемента, возникающие под воздействием переменных сил гидростатического давления жидкости при малом открытии проходного сечения клапана, исключаются полностью за счет полного уравновешивания силы гидростатического давления, действующей на запорно-регулирующий элемент со стороны упомянутого канала.

Выполнение результирующих эффективных площадей запорно-регулирующего элемента со стороны полостей, сообщенных с входным и выходным каналами, каждой равными нулю, обеспечивает разгрузку запорно-регулирующего элемента клапана от сил гидростатического давления жидкости при любых значениях давления во входном и выходном каналах клапана, за счет чего достигаются практически полное исключение продольных колебаний запорно-регулирующего элемента от воздействия переменных сил давления жидкости при любой величине открытия проходного сечения клапана и уменьшение потребной мощности управляющего привода клапана.

Фиксация управляющего штока относительно запорно-регулирующего элемента позволяет осуществлять перемещение запорно-регулирующего элемента относительно седла без запаздывания по отношению к моменту начала регулирования, что повышает быстродействие клапана при его работе
Вместе с тем, благодаря установке управляющего штока относительно запорно-регулирующего элемента с фиксацией только в осевом направлении, повышается технологичность конструкции за счет обеспечения возможности самоцентрирования штока относительно отверстия в крышке.

Исключение из конструкции разгрузочного клапана приводит к ее упрощению, а размещение управляющего штока за пределами выходного канала (со стороны надклапанной полости) приводит к исключению кавитационного износа штока, увеличивает пропускную способность клапана и повышает технологичность конструкции.

При фиксированной установке управляющего штока относительно запорно-регулирующего элемента в одном из частных случаев изобретения возможно размещение дополнительной надклапанной полости между поверхностями сквозной ступенчатой расточки, выполненной в запорно-регулирующем элементе, и цилиндрического ступенчатого разделительного элемента, установленного в указанной расточке и зафиксированного относительно корпуса в осевом направлении. Здесь функцию элемента, зафиксированного относительно корпуса в осевом направлении, выполняет специально введенный разделительный элемент. В этом исполнении надклапанная полость сообщена только с входным каналом.

Рабочая жидкость под высоким давлением, имеющим место во входном канале клапана, воздействует на запорно-регулирующий и разделительный элемент. При этом сила давления жидкости, действующей на разделительный элемент, передается на корпус, не нагружая запорно-регулирующий элемент.

При выполнении результирующих эффективных площадей запорно-регулирующего элемента со стороны полостей, соединенных с входным и выходным каналами, порознь равными нулю (без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости, канала между поверхностями отверстия седла и хвостовика и поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента с уплотнительной фаской седла), достигается полная разгрузка запорно-регулирующего элемента от сил гидростатического давления жидкости.

Фиксация разделительного элемента в осевом направлении относительно корпуса клапана обеспечивает разгрузку запорно-регулирующего элемента клапана от сил давления жидкости при любом знаке перепада давления во входном и выходном каналах клапана, что особенно важно на неустановившихся режимах работы гидропривода, когда высока вероятность изменения знака перепада давления на обратный.

В случае исполнения разделительного элемента составным из двух частей, одна из которых, большего диаметра, установлена с упором в крышку, а вторая поджата к первой в осевом направлении регулировочным винтом, установленным в корпусе, появляется преимущество по технологичности конструкции за счет облегчения обеспечения соосности разделительного элемента относительно центрирующих поверхностей запорно-регулирующего элемента.

Размещение дополнительной надклапанной полости между дополнительными поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки, является другим частичным случаем изобретения при фиксированной установке управляющего штока относительно запорно-регулирующего элемента. В указанном случае функцию элемента, зафиксированного относительно корпуса в осевом направлении, выполняет непосредственно крышка корпуса клапана. В данном исполнении запорно-регулирующего клапана надклапанная полость сообщена только с выходным каналом. При этом также возможна полная разгрузка запорно-регулирующего элемента от сил гидростатического давления жидкости при обеспечении порознь равенства нулю вышеуказанных результирующих эффективных площадей запорно-регулирующего элемента со стороны полостей, соединенных с входным и выходным каналами клапана.

Последняя конструкция имеет те преимущества, что является более простой и имеет меньшие габариты (главным образом, в осевом направлении) при неизменных диаметре седла и величине хода запорно-регулирующего элемента
Размещение дополнительной надклапанной полости между дополнительными поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки имеет несколько вариантов исполнения.

В одном из вариантов запорно-регулирующий элемент выполнен с цилиндрическим выступом на торце со стороны крышки, входящим в расточку, выполненную в крышке, в другом варианте крышка выполнена с цилиндрическим выступом, входящим в расточку, выполненную в запорно-регулирующем элементе. В последнем случае появляется преимущество, проявляющееся в дополнительном уменьшении осевых габаритов клапана.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема запорно-регулирующего клапана с разделительным элементом; на фиг. 2 - конструктивная схема запорно-регулирующего клапана с составным разделительным элементом; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - конструктивная схема запорно-регулирующего клапана без разделительного элемента с выполнением расточки в крышке; на фиг. 5 - конструктивная схема запорно-регулирующего клапана без разделительного элемента с выполнением расточки в запорно-регулирующем элементе.

Запорно-регулирующий клапан содержит корпус 1 с присоединительными входным 2 и выходным 3 каналами. В расточке корпуса 1 неподвижно установлены соосные седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральным проходным отверстием 6, суживающимся в направлении от входного канала 2 к выходному каналу 3, и направляющая гильза 7 с отверстиями 8 со стороны входного канала 2. В направляющей гильзе 7 размещен запорно-регулирующий элемент 9 с запорной фаской 10 и хвостовиком 11 с регулирующей кромкой 12. При контакте запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 и уплотнительной фаски 5 седла 4 регулирующая кромка 12 хвостовика 11 образует с цилиндрической частью 13 центрального проходного отверстия 6 седла 4 золотниковую пару с гарантированным радиальным зазором и нулевым или положительным перекрытием. Корпус 1 герметично закрыт крышкой 14, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 9 со стороны, противоположной седлу 4 клапана. Запорно-регулирующий элемент 9 связан с управляющим штоком 15, который через уплотненное отверстие в крышке 14 выходит за пределы клапана. Управляющий шток 15 соединен с выходным звеном управляющего привода клапана (на чертежах управляющий привод и его выходное звено не показаны). Запорно-регулирующий элемент 9 установлен с образованием между поверхностями отверстия седла 4 и хвостовика 11 канала 16, суживающегося в направлении от входного канала 2 к выходному каналу 3, и с образованием надклапанной полости 17 между поверхностями запорно-регулирующего элемента 9 и крышки 14. Между поверхностями запорно-регулирующего элемента 9 и детали, зафиксированной в осевом направлении относительно корпуса 1, размещена дополнительная надклапанная полость 18, сообщенная с каналом 16 между поверхностями отверстия седла 4 и хвостовика 11 посредством канала 19. Функцию указанной детали в одном частном случае выполняет цилиндрический ступенчатый разделительный элемент 20 (фиг. 1, 2), в другом - крышка 14 корпуса 1 (фиг. 4, 5). Эффективные площади запорно-регулирующего элемента 9 со стороны дополнительной надклапанной полости 18 и канала 16 в осевом направлении имеют разные знаки.

В предпочтительном варианте исполнения эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны дополнительной надклапанной полости 18 равна площади кольца, наружный диаметр которого равен большему диаметру поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 и уплотнительной фаски 5 седла 4, а внутренний диаметр равен диаметру регулирующей кромки 12 хвостовика 11.

В этому случае результирующие эффективные площади запорно-регулирующего элемента 9 со стороны полостей, соединенных с входным и выходным каналами 2, 3, целесообразно выполнить порознь равными нулю без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости 18, канала 16 между поверхностями отверстия 6 седла 4 и хвостовика 11 и поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 и уплотнительной фаски 5 седла 4.

Управляющий шток 15 в любом из описанных выше вариантов исполнения может быть зафиксирован в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента 9 и может быть выполнен как односторонним, так и двусторонним.

В случае, когда управляющий шток 15 не имеет жесткой связи с запорно-регулирующим элементом 9 в осевом направлении, запорно-регулирующий клапан может быть снабжен разгрузочным клапаном. При таком исполнении дополнительная надклапанная полость 18 размещена, например, между поверхностями кольцевой расточки в крышке 14 и кольцевого выступа на торце запорно-регулирующего элемента 9, а надклапанная полость 17 сообщена с входным каналом (на чертежах разгрузочный клапан, указанные расточка и выступ не показаны).

В частном случае исполнения с фиксированной установкой управляющего штока 15 относительно запорно-регулирующего элемента 9 запорно-регулирующий клапан может быть выполнен с цилиндрическим ступенчатым разделительным элементом 20 (фиг. 1, 2). При этом дополнительная надклапанная полость 18 размещена в сквозной ступенчатой расточке запорно-регулирующего элемента 9, между поверхностью 21 указанной расточки и поверхностью 22 цилиндрического ступенчатого разделительного элемента 20, установленного в упомянутой расточке и зафиксированного относительно корпуса 1 в осевом направлении. При этом надклапанная полость 17 сообщена с входным каналом 2. Поверхности контакта разделительного элемента 20 и расточки запорно-регулирующего элемента 9 уплотнены эластичными кольцами 23, 24, препятствующими перетечкам рабочей жидкости из полостей со стороны входного канала 2 в выходной канал 3.

Цилиндрический ступенчатый разделительный элемент 20 в одном из вариантов исполнения зафиксирован в осевом направлении относительно корпуса 1 посредством стопорного элемента 25, свободно продетого через сквозные пазы 26, расположенные диаметрально противоположно в стенках запорно-регулирующего элемента 9 с направлением осей параллельно оси последнего, и входящего без зазоров своими концами в сквозные диаметрально расположенные отверстия, выполненные в направлении гильзе 7 (фиг. 1). Пазы 26 в запорно-регулирующем элементе 9 выполнены таким образом, что стопорный элемент 25 не ограничивает перемещение запорно-регулирующего элемента 9 на всем его ходе. В рассматриваемом случае надклапанная полость 17 соединена с входным каналом 2 последовательно через отверстия 27, полость 28 между поверхностями разделительного 20 и запорно-регулирующего 9 элемента, сквозные пазы 26, полость 29 между стенками запорно-регулирующего элемента 9 и гильзы 7 и отверстия 8 в гильзе 7.

В другом варианте исполнения цилиндрический ступенчатый разделительный элемент 20 выполнен составным из двух частей - 30, 31 (фиг. 2). Причем первая составная часть 30 выполнена большего диаметра и установлена с упором в крышку 14 своими выступами 32, а вторая составная часть 31 поджата к первой 30 в осевом направлении регулировочным винтом 33, установленным в корпусе 1. Управляющий шток 15 в этом варианте исполнения соединен с запорно-регулирующим элементом 9 посредством двух пальцев 34, 35, оси которых взаимно перпендикулярны. Палец 34 установлен своими концами в диаметрально расположенных отверстиях стенки запорно-регулирующего элемента 9 с возможностью перемещения в ограниченных пределах в своем осевом направлении. Шток 15 снабжен вилкой 36, ширина паза которой больше диаметра пальца 34. Палец 35, продетого через соответствующие отверстия в вилке 36 и пальце 34 с возможностью перемещения вилки 36 вместе с пальцем 35 относительно пальца 34 в осевом направлении пальца 35 в пределах зазора между стенками вилки 36 и пальцем 34 (фиг. 3). Такая установка, обеспечивая фиксацию управляющего штока 15 относительно запорно-регулирующего элемента 9 в осевом направлении, создает условия для самоцентрирвоания штока 15 относительно оси отверстия в крышке 14. В этом исполнении надклапанная полость 17 сообщена с входным каналом 2 через отверстия 37, выполненные в гильзе 7, и полость 38 между стенками гильзы 7 и расточки корпуса 1.

Без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости 18, канала 16 между поверхностями отверстия 6 седла 4 и хвостовика 11 и поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 с уплотнительной фаской 5 седла 4 результирующая эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны полотей, сообщенных с входным каналом 2, в данном случае равна площади кольца с наружным диаметром, равным большему диаметру поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 и уплотнительной фаски 5 седла 4, и внутренним диаметром, равным наибольшему диаметру уплотняемой поверхности разделительного элемента 20, за вычетом площади круга с диаметром, равным уплотняемому диаметру штока 15 запорно-регулирующего элемента 9. Результирующая эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны выходного канала 3 при тех же условиях равна площади кольца с наружным диаметром, равным диаметру регулирующей кромки 12 хвостовика 11, и внутренним диаметрам, равным наименьшему уплотняемому диаметру разделительного элемента 20. В частном случае исполнения эти площади могут быть выполнены равными нулю.

В частном случае исполнения без цилиндрического ступенчатого разделительного элемента 20 (фиг. 4, 5) дополнительная надклапанная полость 18 размещена между дополнительными поверхностями запорно-регулирующего элемента 9 и крышки 14, а надклапанная полость 17 сообщена с выходным каналом 3 посредством канала 39.

В одном из вариантов исполнения клапана запорно-регулирующий элемент 9 выполнен с цилиндрическим выступом 40 на торце со стороны крышки 14, входящим в расточку 41, выполненную в крышке 14, при этом дополнительная надклапанная полость 18 размещена либо между поверхностью 42 расточки 41 и поверхностью 43 торцовой части выступа 40 (не показано), либо между торцовыми поверхностями 44, 45 соответственно запорно-регулирующего элемента 9 и крышки 14 (фиг. 4), а надклапанная полость 17 - наоборот.

Поверхность контакта запорно-регулирующего элемента 9 и гильзы 7 уплотнены посредством эластичного кольца 46. Поверхности контакта запорно-регулирующего элемента 9 и расточки 41 крышки 14 уплотнены посредством эластичного кольца 47.

Результирующая эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны полостей, сообщенных с выходным каналом 3 (без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости 18, канала 16 между поверхностями отверстия 6 седла 4 и хвостовика 11 и поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 с уплотнительной фаской 5 седла 4), равна разности эффективных площадей запорно-регулирующего элемента 9 со стороны надклапанной полости 17, сообщенной с выходным каналом 3, и со стороны выходного канала 3 и в предпочтительном варианте исполнения может быть выполнены равной нулю.

В случае, когда дополнительная надклапанная полость 18 размещена между торцовыми поверхностями 44, 45 соответственно запорно-регулирующего элемента 9 и крышки 14, эффективная площадь запорно-реуглирующего элемента 9 со стороны надклапанной полости 17 равна площади кольца с наружным диаметром, равным уплотняемому диаметру цилиндрической расточки 41 и внутренним диаметром, равным уплотняемому диаметру штока 15 запорно-регулирующего элемента 9. Эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны выходного канала 3 равна площади кольца с наружным диаметром, равным диаметру регулирующей кромки 12 хвостовика 11, и внутренним диаметром, равным уплотняемому диаметру штока 15 запорно-регулирующего элемента 9 при выполнении штока 15 двухсторонним и равным нулю при выполнении штока 15 односторонним и размещении его со стороны крышки 14.

В этом же случае результирующая эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны входного канала 2 при выполнении наружного уплотняемого диаметра запорно-регулирующего элемента 9, равным большему диаметру поверхности контакта запорной фаски 10 и уплотнительной фаски 5 седла 4, равна нулю.

В следующем варианте исполнения крышка 14 выполнена с цилиндрическим выступом 48, входящим в расточку 49, выполненную в запорно-регулирующем элементе 9. При этом дополнительная надклапанная полость 18 размещена либо между поверхностью 50 расточки 49, и поверхностью 51 торцовой части выступа 48 (не показано), либо между торцовыми поверхностями 52, 53 соответственно запорно-регулирующего элемента 9 и крышки 14 (фиг. 5).

Поверхности контакта запорно-регулирующего элемента 9 и гильзы 7 уплотнены посредством эластичного кольца 46. Поверхности контакта цилиндрического выступа 48 и расточки 49 запорно-регулирующего элемента 9 уплотнены посредством эластичного кольца 54.

Результирующая эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны полостей, сообщенных с выходным каналом 3 (без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости 18, канала 16 между поверхностями отверстия 6 седла 4 и хвостовика 11 и поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 с уплотнительной фаской 5 седла 4), равна разности эффективных площадей запорно-регулирующего элемента 9 со стороны надклапанной полости 17, сообщенной с выходным каналом 3, и со стороны выходного канала 3 и в предпочтительном варианте исполнения может быть выполнена равной нулю.

В случае, когда дополнительная надклапанная полость 18 размещена между торцовыми поверхностями 52, 53 соответственно запорно-регулирующего элемента 9 и крышки 14, эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны надклапанной полости 17 равна площади кольца с наружным диаметром, равным уплотняемому диаметру цилиндрической расточки 49, и внутренним диаметром, равным уплотняемому диаметру штока 15 запорно-регулирующего элемента 9. Эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны выходного канала 3 равна площади кольца с наружным диаметром, равным диаметру регулирующей кромки 12 хвостовика 11, и внутренним диаметром, равным уплотняемому диаметру штока 15 запорно-регулирующего элемента 9 при выполнении штока 15 двухсторонним и равным нулю при выполнении штока 15 односторонним и размещении его со стороны крышки 14.

В этом случае, как и в конструкции, представленной на фиг. 4 результирующая эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 9 со стороны входного канала 2 при выполнении уплотняемого наружного диаметра запорно-регулирующего элемента 9, равным большему диаметру поверхности контакта запорной фаски 10 и уплотнительной фаски 5 седла 4, равна нулю.

В конструкциях, показанных на фиг. 4, 5, для самоцентрирования штока 15 относительно оси отверстия под шток 15 в крышке 14 (и относительно оси отверстия под шток 15 в корпусе 1 при выполнении штока 15 двухсторонним) и обеспечения при этом фиксации штока 15 относительно запорно-регулирующего элемента 9 в осевом направлении шток 15 снабжен плоской головкой 55, которая входит в паз 56 в запорно-регулирующем элементе 9 с возможностью ограниченных перемещений в любом направлении, ортогональном оси штока 15. При этом высота указанного паза 56 равна высоте упомянутой головки 55 штока 15.

Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом.

При закрытом проходном сечении клапана рабочая жидкость воздействует на запорно-регулирующий элемент 9 по результирующей эффективной площади со стороны входного канала 2 под давлением во входном канале 2, со стороны выходного канала 3 - под давлением в выходном канале 3.

В частном случае, когда результирующие эффективные площади запорно-регулирующего элемента 9 со стороны полостей, соединенных с входным и выходным каналами 2, 3, выполнены порознь равными нулю (без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости 18, канала 16 между поверхностями отверстия 6 седла 4 и хвостовика 11 и площади контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 с уплотнительной фаской 5 седла 4), запорно-регулирующий элемент 9 полностью разгружен от силового воздействия жидкости со стороны указанных полостей (без учета силового воздействия жидкости на отдельно оговоренные поверхности).

При условии выполнения эффективной площади запорно-регулирующего элемента 9 со стороны дополнительной надклапанной полости 18, равной площади кольца, наружный диаметр которого равен большему диаметру поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 и уплотнительной фаски 5 седла 4, а внутренний диаметр равен диаметру регулирующей кромки 12 хвостовика 11, со стороны дополнительной надклапанной полости 18 на запорно-регулирующий элемент 9 действует небольшое прижимное усилие, определяемое давлением в дополнительной надклапанной полости 18 и величиной площади кольца с наружным диаметром, равным большему диаметру поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 9 и уплотнительной фаски 5 седла 4 и внутренним диаметром, равным меньшему диаметру поверхности контакта упомянутых фаски 10 и фаски 5. Если этого усилия недостаточно, то необходимые для обеспечения герметичности клапана контактные напряжения на запорной фаске 10 элемента 9 и уплотнительной фаске 5 седла 4 создаются за счет управляющего привода клапана.

Соотношение эффективных площадей запорно-регулирующего элемента 9 в каждом конкретном случае выбирается с учетом возможных в процессе эксплуатации клапана сочетаний значений давления рабочей жидкости в его входном 2 и выходном 3 каналах при различных положениях запорно-регулирующего элемента 9 относительно седла 4 таким образом, чтобы при прочих равных условиях необходимая для управления клапаном мощность была минимальной.

При смещении запорно-регулирующего элемента 9 относительно седла 4 под действием управляющего привода клапана (на чертежах управляющий привод клапана не показан) и открытии проходного сечения между запорной фаской 10 запорно-регулирующего элемента 9 и уплотнительной фаской 5 седла 4, когда еще не открыто или открыто на небольшую величину проходное сечение между регулирующей кромкой 12 хвостовика 11 и центральным проходным отверстием 6 седла 4, давление в канале 16 между поверхностями отверстия 6 седла 4 и хвостовика 11, поднимается до величины, равной или близкой к давлению во входном канале 2, где оно, как правило, высокое. Такого же значения достигает давление в дополнительной надклапанной полости 18, сообщенной с каналом 16. В результате сила давления жидкости, действующая на запорно-регулирующий элемент 9 со стороны канала 16 и направленная в сторону открытия проходного сечения клапана, уравновешивается силой давления жидкости, действующей на тот же элемент 9 со стороны дополнительной надклапанной полости 18 и направленной в противоположную сторону. Благодаря этому достигается снижение продольных колебаний запорно-регулирующего элемента 9, возникающих под действием переменных сил давления жидкости при малом открытии проходного сечения клапана, или практически полное их исключение при равенстве эффективных площадей, участвующих в передаче усилия со стороны жидкости в рассматриваемой зоне на запорно-регулирующий элемент 9.

В то же время при выполнении результирующих эффективных площадей запорно-регулирующего элемента 9 со стороны полостей, сообщенных с входным и выходным каналами 2, 3, равными нулю, обеспечивается разгрузка запорно-регулирующего элемента 9 клапана от сил гидростатического давления жидкости при любой величине открытия проходного сечения клапана и при любом знаке перепада давления во входном и выходном каналах 2, 3 клапана, за счет чего достигаются практически полное исключение продольных колебаний запорно-регулирующего элемента 9 от воздействия переменных сил давления жидкости при любой величине открытия проходного сечения клапана и уменьшение потребной мощности управляющего привода клапана.

При этом фиксированная установка управляющего штока 15 относительно запорно-регулирующего элемента 9 позволяет осуществлять перемещение запорно-регулирующего элемента 9 относительно седла 4 без запаздывания по отношению к моменту начала регулирования, что повышает быстродействие клапана при его работе.

В случаях, когда управляющий шток 15 размещен за пределами выходного канала 3 (со стороны надклапанной полости 17), исключается кавитационный износ штока 15 и увеличивается пропускная способность клапана.

Таким образом, реализация изобретения обеспечивает снижение продольных колебаний запорно-регулирующего элемента клапана, возникающих под воздействием жидкости при малом открытии проходного сечения клапана, и в частном случае исполнения практически полное их исключение, а также практически полное исключение продольных колебаний запорно-регулирующего элемента под воздействием жидкости при любой величине открытия проходного сечения клапана за счет гидростатической разгрузки запорно-регулирующего элемента, что приводит к повышению надежности клапана и уменьшению потребной мощности управляющего привода клапана. Кроме того, запорно-регулирующий клапан имеет простую конструкцию, характеризуется перемещением запорно-регулирующего элемента относительно седла без запаздывания по отношению к моменту начала регулирования и технологичен в исполнении без разгрузочного клапана. Вместе с тем, конструкция клапана обеспечивает устранение явления кавитационного износа управляющего штока, и увеличение пропускной способности клапана в случае выполнения штока односторонним и размещения его со стороны надклапанной полости. Клапан в исполнении без разделительного элемента имеет уменьшенные осевые габариты и уменьшенный вес. Запорно-регулирующий клапан может быть использовано в гидросистемах управления ковочными и штамповочными прессами, а также в авиационной, судостроительной и других отраслях техники, где требуется обеспечить повышенную надежность, минимальные вес и габариты оборудования.

Использование: в области арматуростроения. Сущность изобретения: запорно-регулирующий клапан содержит корпус с каналами и седлом. В корпусе размещен запорно-регулирующий элемент с запорной фаской и хвостовиком с реуглирующей кромкой, связанный с управляющим штоком. Корпус герметично закрыт крышкой. Клапан выполнен с образованием дополнительной надклапанной полости, размещенной между поверхностями запорно-регулирующего элемента и детали, зафиксированной в осевом направлении относительно корпуса, сообщенной с каналом между поверхностями отверстия седла и хвостовика, причем эффективные площади запорно-регулирующего элемента со стороны дополнительной надклапанной полости и указанного канала в осевом направлении имеют разные знаки. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральным проходным отверстием, суживающимся в направлении от входного канала к выходному, и размещен запорно-регулирующий элемент с запорной фаской и хвостовиком с регулирующей кромкой, связанный с управляющим штоком, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием между поверхностями отверстия седла и хвостовика канала, суживающегося в направлении от входного канала к выходному, и с образованием надклапанной полости между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки, сообщенной с присоединительным каналом, отличающийся тем, что клапан выполнен с образованием дополнительной надклапанной полости, размещенной между поверхностями запорно-регулирующего элемента и детали, зафиксированной в осевом направлении относительно корпуса, сообщенной с каналом между поверхностями отверстия седла и хвостовика, причем эффективные площади запорно-регулирующего элемента со стороны дополнительной надклапанной полости и указанного канала в осевом направлении имеют разные знаки. 2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны дополнительной надклапанной полости равна площади кольца, наружный диаметр которого равен большему диаметру поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла, а внутренний диаметр равен диаметру регулирующей кромки хвостовика. 3. Клапан по п.2, отличающийся тем, что результирующие эффективные площади запорно-регулирующего элемента со стороны полостей, сообщенных с входным и выходным каналами, выполнены каждая равными нулю без учета эффективных площадей со стороны дополнительной надклапанной полости, канала между поверхностями отверстия седла и хвостовика и поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента с уплотнительной фаской седла. 4. Клапан по пп.1 3, отличающийся тем, что управляющий шток зафиксирован в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента. 5. Клапан по п.4, отличающийся тем, что дополнительная надклапанная полость размещена в сквозной ступенчатой расточке запорно-регулирующего элемента между поверхностями указанной расточки и цилиндрического ступенчатого разделительного элемента, установленного в ней и зафиксированного относительно корпуса в осевом направлении, а надклапанная полость сообщена только с входным каналом. 6. Клапан по п.5, отличающийся тем, что разделительный элемент выполнен составным из двух частей, одна из которых, большего диаметра, установлена с упором в крышку, а вторая поджата к первой в осевом направлении регулировочным винтом, установленным в корпусе. 7. Клапан по п.4, отличающийся тем, что дополнительная надклапанная полость размещена между дополнительными поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки, а надклапанная полость сообщена только с выходным каналом. 8. Клапан по п.7, отличающийся тем, что запорно-регулирующий элемент выполнен с цилиндрическим выступом на торце со стороны крышки, входящим в расточку, выполненную в крышке, при этом дополнительная надклапанная полость размещена либо между поверхностями расточки, выполненной в крышке, и торцовой части цилиндрического выступа запорно-регулирующего элемента, входящего в указанную расточку, либо между торцовыми поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки. 9. Клапан по п.7, отличающийся тем, что крышка выполнена с цилиндрическим выступом, входящим в расточку, выполненную в запорно-регулирующем элементе, при этом дополнительная надклапанная полость размещена либо между поверхностями расточки, выполненной в запорно-регулирующем элементе, и торцевой части цилиндрического выступа крышки, входящего в указанную расточку, либо между торцевыми поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки.