КЛАПАН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ Российский патент 2000 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к области арматуростроения и может быть использовано для дистанционного управления потоками жидкости или газа в гидро- и пневмосистемах соответственно.

Известен электромагнитный клапан, содержащий электромагнит, представляющий собой магнитопровод с электромагнитной обмоткой, соединенной с корпусом, снабженным каналами подвода и отвода рабочего тела и седлом, выполненным со стороны магнитопровода и контактирующим с торцом якоря, расположенным в отверстии магнитопровода, подпираемым к седлу пружиной, опирающейся на стоп, установленный в магнитопроводе. Причем седло размещено вне электромагнита в отдельной корпусной детали [1].

Известное устройство характеризуется недостаточной надежностью и не обеспечивает необходимого уровня герметичности вследствие возможных технологических погрешностей, обусловленных размещением седла в одной детали, а направляющей для якоря - в другой. Возникающие при изготовлении погрешности взаимного расположения не позволяют обеспечить надежность работы клапана.

Известен клапан электромагнитный, содержащий магнитопровод, представляющий собой магнитопроводящую втулку с фланцами, между которыми на втулке магнитопровода размещена электромагнитная обмотка, закрытая магнитопроводящим кожухом, сопряженным с поверхностями фланцев, причем втулка магнитопровода разделена диамагнитной кольцевой проставкой, перекрывающей магнитный поток втулки и расположенной напротив зоны замыкания магнитного потока втулки магнитопровода и якоря, установленного в сквозном отверстии втулки с возможностью осевого перемещения, ограниченного с одной стороны стопом, закрепленным в одном из фланцев, а с другой стороны опирающегося своим торцом на пружину, расположенную в зоне канала подвода рабочего тела, причем на указанном торце выполнена металлическая уплотнительная поверхность, контактирующая при срабатывании с ответной металлической уплотнительной поверхностью седла втулки магнитопровода, которые образуют затвор.

Уплотнительные поверхности якоря и магнитопровода могут быть плоскими, сферическими или в виде одной конической поверхности [2] - прототип.

Указанное техническое решение, предусматривающее металлические уплотнительные поверхности, требует либо больших усилий герметизации, что ограничено в электромагнитных клапанах небольшими тяговыми усилиями электромагнитов, либо повышения требований к точности изготовления уплотнительных поверхностей затворов с применением дорогостоящих доводочных операций, что существенно удорожает производство.

Кроме того, известное техническое решение предусматривает усложненную конструктивную форму уплотнительной поверхности якоря в виде сферы или конуса, контактирующей с уплотнительной поверхностью корпуса по линии, что не обеспечивает устойчивого постоянного контакта указанных поверхностей и, как следствие, не обеспечивает достаточного уровня герметичности, надежности и долговечности клапана.

Конструкция магнитопровода, представленная в рассматриваемом электромагнитном клапане, основанная на неразъемных соединениях с использованием сварки, пайки, завальцовки, приводит к возникновению внутренних напряжений в магнитопроводе и, как следствие, к его деформации, что в свою очередь приводит к снижению надежности контакта уплотнительных поверхностей затвора и нарушению герметичности.

Технический результат изобретения, заключающийся в повышении уровня герметичности и надежности, достигается тем, что в клапане электромагнитном, содержащем магнитопровод, представляющий собой магнитопроводящую втулку с фланцами, между которыми на втулке магнитопровода размещена электромагнитная обмотка, закрытая магнитопроводящим кожухом, сопряженным с поверхностями фланцев, причем втулка магнитопровода разделена диамагнитной кольцевой проставкой, перекрывающей магнитный поток втулки и расположенной напротив зоны замыкания магнитного потока втулки магнитопровода и якоря, установленного в сквозном отверстии втулки с возможностью осевого перемещения, ограниченного с одной стороны стопом, закрепленным в одном из фланцев и имеющим канал для выхода рабочего тела, а с другой стороны опирающегося своим торцом на пружину, расположенную в зоне канала подвода рабочего тела, причем на указанном торце выполнена металлическая уплотнительная поверхность, контактирующая при срабатывании с ответной металлической уплотнительной поверхностью седла втулки магнитопровода, которые образуют затвор, согласно изобретению якорь и втулка магнитопровода, образующие затвор, представляют собой две пары одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей с микрорельефом в виде последовательно чередующихся кольцевых выступов и впадин на уплотнительных поверхностях хотя бы одной пары.

Как вариант исполнения, возможно, что затвор представляет собой две пары одновременно контактирующих конических поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга с микрорельефом на обеих парах.

Как вариант исполнения, возможно, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей одна пара - плоские поверхности, а вторая пара - конические поверхности, расположенные со смещением в осевом направлении относительно друг друга с микрорельефом на обеих парах.

Как вариант исполнения, возможно, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пара - сочетание конической и сферической поверхностей, а вторая - конические поверхности с микрорельефом на конических поверхностях.

Как вариант исполнения, возможно, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пар - сочетание конической и сферической поверхностей, а вторая - плоские поверхности с микрорельефом на плоских поверхностях.

Как вариант исполнения, возможно, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пара - сочетание сферической и тороидальной поверхностей, а вторая - конические поверхности с микрорельефом на конических поверхностях
Как вариант исполнения, возможно, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пара - сочетание сферической и тороидальной поверхностей, а вторая - плоские поверхности с микрорельефом на плоских поверхностях.

Как вариант исполнения, возможно, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих поверхностей одна пара плоские уплотнительные поверхности, а вторая пара - цилиндрические поверхности с микрорельефом на плоских поверхностях.

Как вариант исполнения, возможно, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих поверхностей одна пара - конические уплотнительные поверхности, а вторая - цилиндрические поверхности с микрорельефом на конических поверхностях. Кроме того, во втулке магнитопровода установлена дополнительная кольцевая диамагнитная проставка, расположенная в зоне контакта второй пары одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, перекрывающая магнитный поток втулки с возможностью его замыкания через якорь.

Как вариант исполнения, возможно, что втулка магнитопровода выполнена составной по меньшей мере из трех частей в виде последовательно установленных и сцентрированных втулок и фланцев, зафиксированных в осевом направлении.

Как вариант исполнения, возможно, что магнитопровод представляет собой магнитопроводящий фланец, соединенный с кожухом из магнитопроводящего материала посредством, например, стопорного кольца или кольцевого выступа на внутренней поверхности кожуха, на поверхность фланца установлена нижним торцом по центрирующему пояску магнитопроводящая ступенчатая втулка, на ступень втулки установлена нижним торцом диамагнитная проставка в виде кольца, с которым по центрирующему пояску сопряжена магнитопроводящая втулка, с торцевой уплотнительной поверхностью которой контактирует своей уплотнительной поверхностью стоп, расположенный в отверстии второго магнитопрвоодящего фланца, соединенного с магнитопрвоодящим кожухом посредством, например, стопорного кольца, при этом фиксация магнитопровода в осевом направлении осуществляется винтами, проходящими через стоп и ввернутыми во фланец.

Как вариант исполнения, возможно, что уплотнительные поверхности втулки и стопа представляют собой металлические поверхности с микрорельефом в виде последовательно чередующихся кольцевых выступов и впадин.

Затвор клапана, выполненный согласно изобретению в виде двух пар одновременно контактирующих поверхностей, одна из которых - сочетание конических или плоских поверхностей, а вторая - сочетание конических поверхностей, сферической и конической поверхностей, сферической и тороидальной поверхностей, цилиндрических поверхностей, обеспечивает стабильное и однозначное положение якоря на уплотнительных поверхностях седла втулки магнитопровода, компенсирует погрешности взаимного расположения элементов затвора. Обладает высокой герметичностью и надежностью.

Высокая герметичность обусловлена также наличием кольцевых микронеровностей на уплотнительных конических или плоских поверхностях затвора, которые увеличивают фактическую площадь и постоянство контакта указанных поверхностей.

Кроме того, согласно изобретению втулка магнитопровода может быть выполнена в виде последовательно установленных и сцентрированных втулок и фланцев с фиксацией составных частей в осевом направлении, что позволяет существенно повысить технологичность магнитопровода, снизить погрешности взаимного расположения, вызванные внутренними напряжениями во втулке магнитопровода.

Дополнительная кольцевая диамагнитная проставка, установленная в зоне контакта второй пары одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, позволяет увеличить тяговое усилие электромагнита примерно в 2,5 раза.

В процессе проведенного поиска по источникам начно-технической и патентной информации не обнаружено устройства, обладающего такой же совокупностью существенных конструктивных признаков, которая бы обеспечивала указанный технический результат. Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, обладает новизной. Оно имеет промышленную применимость и изобретательский уровень, выраженный в заявленной совокупности признаков и, в отличие от прототипа, обеспечивает достижение технического результата. Технические решения согласно изобретению позволяют существенно повысить герметичность, надежность и долговечность клапана до 10⁷ и более циклов срабатывания без отказов, под которыми понимается нарушение герметичности или несрабатывание затвора.

На фиг. 1 изображен клапан электромагнитный.

На фиг. 2-9 - возможные варианты исполнения затвора; на фиг. 2 - две пары одновременно контактирующих конических поверхностей; на фиг. 3 - из двух пар одновременно контактирующих уплотнений одна пара - плоские поверхности, вторая пара - конические поверхности; на фиг. 4 - одна пара - сфера-конус, вторая пара - конические поверхности; на фиг. 5 - одна пара - сфера-конус, вторая пара - плоские поверхности; на фиг. 6 - одна пара - сфера-тор, вторая пара - конические поверхности; на фиг. 7 - одна пара - сфера-тор, вторая пара - плоские поверхности; на фиг. 8 - одна пара - цилиндрические поверхности, вторая пара - плоские поверхности; на фиг. 9 - одна пара - цилиндрические поверхности, вторая пара - конические.

На фиг. 10 - фрагмент увеличенного кольцевого микрорельефа, нанесенного на контактирующих конических уплотнительных поверхностях.

На фиг. 11 - фрагмент увеличенного кольцевого микрорельефа, нанесенного на контактирующих пллоских уплотнительных поверхностях.

На фиг. 12 - фрагмент исполнения магнитопровода с дополнительной диамагнитной проставкой.

На фиг. 13 - вариант исполнения составного магнитопровода.

Клапан электромагнитный, изображенный на фиг. 1, содержит каналы для подвода А и отвода Б рабочего тела, магнитопровод, представляющий собой магнитопроводящую втулку 1, разделенную диамагнитной кольцевой проставкой 2, расположенной в зоне контакта одной из двух уплотнительных поверхностей 3 седла втулки 1 магнитопровода. Вторая уплотнительная поверхность 4 седла втулки магнитопровода расположена со смещением в осевом направлении относительно уплотнительной поверхности 3. На торцах втулки 1 выполнены магнитопроводящие фланцы 5 и 6, между которыми на втулке 1 размещена электромагнитная обмотка 7, закрытая магнитопроводящим кожухом 8, сопряженным с поверхностями фланцев 5 и 6.

Во втулке 1 магнитопровода выполнено сквозное отверстие, в котором установлен с возможностью осевого перемещения якорь 9, опирающийся своими торцами с одной стороны на стоп 10, закрепленный во фланце 5, а с другой - на пружину 11, расположенную в зоне канала подвода рабочего тела А либо в отверстии якоря, как показано на фиг. 1, либо во фланце 6. Якорь 9 взаимодействует своими уплотнительными поверхностями 12 и 13 с уплотнительными поверхностями 3 и 4 седла втулки магнитопровода, при этом образуется затвор, представляющий собой две пары одновременно контактирующих поверхностей, и на уплотнительных поверхностях хотя бы одной пары выполнен микрорельеф в виде последовательно чередующихся кольцевых выступов и впадин, как показано на фиг. 10, 11.

Затвор клапана может быть выполнен в виде сочетания двух пар одновременно контактирующих конических поверхностей с кольцевым микрорельефом, как показано на фиг. 1, 2 и 10, или, как вариант исполнения, в виде двух пар одновременно контактирующих плоских и конических поверхностей (фиг. 3) с кольцевым микрорельефом (фиг. 10, 11) в виде двух пар одновременно контактирующих поверхностей: одна - сфера-конус, вторая - конус-конус (фиг. 4), причем с кольцевым микрорельефом на уплотнениях конус-конус (фиг. 10), или одна - сфера-конус, вторая - плоскость-плоскость (фиг. 5), причем с кольцевым микрорельефом на уплотнениях плоскость-плоскость (фиг. 11), или одна - сфера-тор, вторая - конус-конус (фиг. 6) с кольцевым микрорельефом на уплотнениях конус-конус (фиг. 10), или одна - сфера-тор, вторая - плоскость-плоскость (фиг. 7) с кольцевым микрорельефом на уплотнениях плоскость-плоскость (фиг. 11), или одна - цилиндр-цилиндр, вторая - плоскость-плоскость (фиг. 8), причем с кольцевым микрорельефом на уплотнениях плоскость-плоскость (фиг. 11), или одна - цилиндр-цилиндр, вторая - конус-конус (фиг. 9) с кольцевым микрорельефом на уплотнениях конус-конус (фиг. 10).

Во втулке магнитопровода может быть установлена дополнительная диамагнитная кольцевая проставка 14 в зоне контакта второй пары одновременно контактирующих поверхностей, как показано на фиг. 12.

Как вариант исполнения, магнитопровод может быть выполнен составным без использования неразъемных соединений, как показано на фиг. 13.

Магнитопровод представляет собой магнитопроводящий фланец 15, соединенный с кожухом 16 посредством стопорного кольца 17 или с помощью кольцевого выступа на внутренней поверхности кожуха 16. На фланец 15 по центрирующему пояску установлена нижним торцом ступенчатая втулка 18 из магнитопроводящего материала. Верхний торец втулки представляет собой одну из двух уплотнительных поверхностей 19 седла затвора. На ступень втулки 18 установлена диамагнитная проставка 20 в виде кольца, с которым по центрирующему пояску сопряжена втулка 21 из магнитопроводящего материала, на которой выполнена вторая уплотнительная поверхность 22 седла затвора. На верхний конец втулки 21 установлен фланец 25 из магнитопроводящего материала. На магнитопроводе размещена обмотка 26.

Фланец 25 соединен с кожухом 16 посредством стопорного кольца 27. На торце втулки 21 выполнена уплотнительная поверхность с микрорельефом, с которой контактирует стоп 28 своими уплотнительными поверхностями с микрорельефом. Стоп 28 установлен в отверстии фланца 25. Фиксация втулок 18, 20, 21 магнитопровода в осевом направлении осуществляется посредством винтов 29, проходящих через стоп и ввернутых во фланец 25. В стопе 28 выполнено отверстие для выхода рабочего тела.

Работает клапан электромагнитный следующим образом: рабочее тело поступает из питающей магистрали через входное отверстие А и проходит через первую пару уплотнений 3, 12, вторую пару уплотнений 4, 13 к выходному отверстию Б.

При подаче на обмотку электромагнита напряжения питания в элементах магнитопровода возникает магнитный поток. При этом поскольку в магнитопроводе имеются диамагнитные проставки 2, 14, то замыкание линий магнитного потока происходит не по диамагнитным проставкам, а по телу якоря 9 и он, преодолевая сопротивление пружины 11 и давление рабочего тела, притягивается к седлу, перекрывая поток рабочего тела от входного отверстия А к выходному Б. При отключении напряжения питания якорь 9 возвращается в исходное положение под действием пружины 11 и давления рабочего тела, открывая проход для рабочего тела.

При последующих подачах напряжения питания на обмотку электромагнита описанный процесс повторяется.

Клапан электромагнитный может быть изготовлен с условными проходами от Ду 0,8 до Ду 6 на давления до 0,8 МПа с различными конструктивными исполнениями затвора в условиях машиностроительных предприятий.

Таким образом, совокупность конструктивных признаков по заявленному изобретению обеспечивает технический результат, выраженный в повышении основных показателей качества клапана, т.е. герметичности, надежности, долговечности, и снижении затрат при производстве.

Литература
1. Патент ФРГ N 2257211, кл. F 16 K 31/06. 1975.

2. Патент РФ N 2046239, кл. F 16 K 31/02, 1995 - прототип.

Изображение предназначено для управления потоками жидкости или газа в гидро- и пневмосистемах. Клапан электромагнитный содержит магнитопровод, представляющий собой магнитопроводящую втулку с фланцами, между которыми на втулке магнитопровода размещена электромагнитная обмотка, закрытая магнитопроводящим кожухом, сопряженным с поверхностями фланцев. Втулка магнитопровода разделена диамагнитной кольцевой проставкой, перекрывающей магнитный поток втулки и расположенной напротив зоны замыкания магнитного потока втулки магнитопровода и якоря. Якорь установлен в сквозном отверстии втулки с возможностью осевого перемещения, ограниченного с одной стороны стопом, закрепленным в одном из фланцев и имеющим канал для выхода рабочего тела, а с другой стороны опирающийся своим торцом на пружину, расположенную в зоне канала подвода рабочего тела. На указанном торце выполнена металлическая уплотнительная поверхность, контактирующая при срабатывании с ответной металлической уплотнительной поверхностью седла втулки магнитопровода, которые образуют затвор. Затвор представляет собой две пары одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей с микрорельефом в виде последовательно чередующихся кольцевых выступов и впадин на уплотнительных поверхностях по крайней мере одной пары. Такое выполнение клапана обеспечивает стабильное и однозначное положение якоря на уплотнительных поверхностях седла втулки магнитопровода, компенсирует погрешности взаимного расположения элементов затвора, обладает высокой герметичностью и надежностью. 12 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Клапан электромагнитный, содержащий магнитопровод, представляющий собой магнитопроводящую втулку с фланцами, между которыми на втулке магнитопровода размещена электромагнитная обмотка, закрытая магнитопроводящим кожухом, сопряженным с поверхностями фланцев, причем втулка магнитопровода разделена диамагнитной кольцевой проставкой, перекрывающей магнитный поток втулки и расположенной напротив зоны замыкания магнитного потока втулки магнитопровода и якоря, установленного в сквозном отверстии втулки с возможностью осевого перемещения, ограниченного с одной стороны стопом, закрепленным в одном из фланцев и имеющим канал для входа рабочего тела, а с другой стороны, опирающийся своим торцом на пружину, расположенную в зоне канала подвода рабочего тела, причем на указанном торце выполнена металлическая уплотнительная поверхность, контактирующая при срабатывании с ответной металлической уплотнительной поверхностью седла втулки магнитопровода, которые образуют затвор, отличающийся тем, что затвор представляет собой две пары одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей с микрорельефом в виде последовательно чередующихся кольцевых выступов и впадин на уплотнительных поверхностях, по крайней мере, одной пары. 2. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что затвор представляет собой две пары одновременно контактирующих конических поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга с микрорельефом на обеих парах. 3. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей одна пара - плоские поверхности, а вторая пара - конические поверхности, расположенные со смещением в осевом направлении относительно друг друга с микрорельефом на обеих парах. 4. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пара - сочетание конической и сферической поверхностей, а вторая - конические поверхности с микрорельефом на конических поверхностях. 5. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пара - сочетание конической и сферической поверхностей, а вторая - плоские поверхности с микрорельефом на плоских поверхностях. 6. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пара - сочетание сферической и тороидальной поверхностей, а вторая - конические поверхности с микрорельефом на конических поверхностях. 7. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, расположенных со смещением в осевом направлении относительно друг друга, одна пара - сочетание сферической и тороидальной поверхностей, а вторая - плоские поверхности с микрорельефом на плоских поверхностях. 8. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих поверхностей одна пара - плоские уплотнительные поверхности, а вторая пара - цилиндрические поверхности с микрорельефом на плоских поверхностях. 9. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что в затворе из двух пар одновременно контактирующих поверхностей одна пара - конические уплотнительные поверхности, а вторая пара - цилиндрические поверхности, с микрорельефом на конических поверхностях. 10. Клапан электромагнитный по п.1 или по одному из пп. 2 - 7, отличающийся тем, что во втулке магнитопровода установлена дополнительная кольцевая диамагнитная проставка, расположенная в зоне контакта второй пары одновременно контактирующих уплотнительных поверхностей, перекрывающая магнитный поток втулки с возможностью замыкания через якорь. 11. Клапан электромагнитный по п.1, отличающийся тем, что втулка магнитопровода выполнена составной, по меньшей мере, из трех частей, в виде последовательно установленных и сцентрированных втулок и фланцев, зафиксированных в осевом направлении. 12. Клапан электромагнитный по п.1 или 11, отличающийся тем, что магнитопровод представляет собой магнитопроводящий фланец, соединенный с кожухом из магнитопроводящего материала посредством, например, стопорного кольца или кольцевого выступа на внутренней поверхности кожуха, на поверхность фланца установлена нижним торцом по центрирующему пояску магнитопроводящая ступенчатая втулка, на ступень втулки установлена нижним торцом диамагнитная проставка в виде кольца, с которым по центрирующему пояску сопряжена магнитопроводящая втулка, с ее торцевой уплотнительной поверхностью контактирует своей уплотнительной поверхностью стоп, расположенный в отверстии второго магнитопроводящего фланца, соединенного с магнитопроводящим кожухом посредством, например, стопорного кольца, при этом фиксация магнитопровода в осевом направлении осуществляется посредством винтов, проходящих через стоп и ввернутых во фланец. 13. Клапан электромагнитный по п.1 или 11, или 12, отличающийся тем, что уплотнительные поверхности втулки и стопа представляют собой металлические поверхности с микрорельефом в виде последовательно чередующихся кольцевых выступов и впадин.