ПНЕВМОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F16K11/24 

Предлагаемое изобретение касается пневмоприводов и может быть использовано, например, для управления пневмооболочками и пневмоцилиндрами робототехнических и медицинских устройств.

Известен электромагнитный клапан, содержащий размещенный в полости корпуса запорный орган, связанный с сердечником электромагнита, внешний магнитопровод которого закреплен на стопе с образованием зазора между составляющими магнитопровод элементами, и устройство для индикации положения запорного органа, в котором в зазоре внешнего магнитопровода размещена прокладка из немагнитного материала, причем образующие зазор элементы установлены с возможностью изменения расстояния между обращенными одна к другой поверхностями (патент РФ N 2100681 по кл. F 16 K 31/02, заявка N 4915959/06 от 01.03.91 г. , опубл. 27.12.97 г., Бюл. N 36).

Недостатком известного электромагнитного клапана является недостаточное быстродействие.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство по US 5875817 A, 02.03.1999, которое содержит корпус, в котором установлены один или несколько клапанов, каждый из которых включает запорный орган с отключающей пружиной и электромагнитным приводом в виде цилиндрического магнитопровода, катушки, стопа и подвижного якоря. Причем воздуховоды для подвода рабочей среды выполнены общими для всех клапанов. Недостатком известного устройства являются большие габариты, механический и аэродинамический шумы, возникающие при работе и затрудняющие создание пневмоблока для управления большим количеством исполнительных устройств.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание компактного, экономичного, надежного пневмоблока для управления большим количеством исполнительных устройств, снижение механического и аэродинамического шума с одновременным увеличением быстродействия.

Поставленная задача достигается тем, что пневмораспределитель содержит корпус, в котором установлены один или несколько клапанов, каждый из которых включает запорный орган с отключающей пружиной и электромагнитным приводом в виде цилиндрического магнитопровода, катушки, стопа и подвижного якоря, причем воздуховоды для подвода рабочей среды выполнены общими для всех клапанов, при этом в каждом из клапанов между запорным органом и якорем установлена магнитопроводная мембрана, разделяющая рабочую полость клапана и полость, в которой расположен электромагнитный привод, а якорь размещен в антифрикционной втулке, а между запорным органом и якорем в каждом клапане установлена магнитопроводная мембрана, разделяющая рабочую полость клапана и полость, в которой работает электромагнитный привод. Между запорным органом клапана и электромагнитным приводом установлена втулка с центральным ступенчатым отверстием для отключающей пружины и штока запорного органа клапана, жестко связанного с якорем, причем толщина втулки выбрана таким образом, чтобы рабочий ход запорного органа клапана был меньше зазора между якорем и стопом при отключенном положении электромагнитного привода. Воздуховоды для управления исполнительными органами пневмосистемы от всех клапанов выведены на одну плоскость корпуса пневмораспределителя, а воздуховоды для подвода высокого и низкого давления выполнены радиальными. Стоп со стороны якоря выполнен в форме усеченного конуса, а якорь снабжен со стороны стопа конусным вырезом, соответствующим форме стопа. Воздуховод низкого давления снабжен выносными камерными глушителями, установленными на обоих концах пневмораспределителя, и встроенными глушителями, установленными между клапанами. Магнитопроводная мембрана снабжена фильтрующими отверстиями. Магнитопровод снабжен фланцем, на котором закреплена антифрикционная втулка, а стоп снабжен центральным отверстием.

Сущность изобретения заключается в том, что наличие в конструкции пневмораспределителя двух общих для всех электромагнитных клапанов радиальных воздуховодов позволяет собрать компактный плоский блок из нескольких электромагнитных клапанов с одним боковым подводом источника сжатого воздуха и одним боковым воздуховодом низкого давления. В то же время центральные воздуховоды, расположенные параллельно осям клапанов и выведенные на одну плоскость пневмораспределителя, позволяют организовать управление исполнительными органами пневмосистемы набором параллельных воздуховодов без увеличения габаритов и веса как пневмораспределителя, так и соединительной пневмоарматуры между пневмораспределителем и пневмосистемой. Силовая схема пневмораспределителя выбрана таким образом, что сила от высокого давления воздуха всегда воздействует на клапан в сторону его открытия. Следовательно, при включении электромагнитного привода сила притяжения якоря к стопу складывается с силой высокого давления на клапан, тем самым обеспечивается высокое быстродействие при открытии клапана и, как следствие, быстродействие соединения воздуховода высокого давления с исполнительным органом.

Повышение быстродействия обусловлено также применением в предлагаемом изобретении антифрикционной втулки, благодаря которой трение покоя и скольжения якоря меньше, чем при использовании традиционного магнитопроводного сочетания сталь/сталь. Антифрикционная втулка по твердости мягче стали. Поэтому в процессе эксплуатации происходит прирабатывание втулки и якоря, в результате чего сила трения уменьшается, а быстродействие повышается. Крепление антифрикционной втулки только на фланце магнитопровода позволяет исключить ее перемещение от работы якоря и компенсировать неточности изготовления электромагнитного привода.

Наличие мембраны в конструкции пневмораспределителя позволяет избежать попадания пыли из рабочей полости клапана на трущиеся поверхности якоря и антифрикционной втулки, что значительно увеличивает долговечность работы пневмораспределителя. Причем мембрана может быть как герметичной, так и способной фильтровать воздух. Последнее свойство мембраны снижает аэродинамический шум и не повышает коэффициент трения между антифрикционной втулкой и якорем за счет исключения попадания пыли. Другим важным признаком является магнитопроводность мембраны, которая позволяет усилить магнитный поток от фланца электромагнита к якорю, тем самым увеличить силу притяжения якоря к стопу. Повышение силы притяжения якоря к стопу позволяет снизить энергоемкость электромагнитного привода и уменьшить вес пневмораспределителя. С целью снижения аэродинамического шума между клапанами установлены встроенные глушители, а на концах воздуховода низкого давления установлены выносные камерные глушители. Наличие в конструкции стопа в форме усеченного конуса и якоря с конусным вырезом, повторяющим форму стопа, позволяет добиться устойчивой работы электромагнитного привода без удара якоря по стопу. Этой же цели служит и втулка, установленная между запорным органом клапана и электромагнитным приводом, толщина которой выбрана таким образом, чтобы рабочий ход запорного органа клапана был меньше зазора между якорем и стопом при отключенном положении электромагнитного привода, что позволяет обеспечить минимальный зазор между якорем и стопом в притягивающем положении. Выполнение стопа с центральным отверстием обеспечивает возможность регулирования и контроля через него зазоров между якорем и стопом, а также между седлом втулки и запорным органом клапана при сборке пневмораспределителя.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан предлагаемый пневмораспределитель; на фиг. 2 - сечение А-А, представляющее отдельный электромагнитный клапан.

Пневмораспределитель (фиг. 2) состоит из корпуса 1 с воздуховодами для подвода высокого давления воздуха 2, низкого давления 3 и центральными воздуховодами исполнительных устройств 4, встроенных глушителей 5, выносных камерных глушителей 6 (фиг. 1) и множества электромагнитных клапанов, каждый из которых содержит запорный орган 7 с уплотнительными кольцами 8, запирающую пружину 9, размещенную в ступенчатом отверстии втулки 10 вместе со штоком запорного органа 7, уплотнительное кольцо 11 втулки, регулировочную шайбу 12, седло 13 корпуса и седло 14 втулки, магнитопроводную мембрану 15, разделяющую рабочую полость 16 клапана и электромагнитный привод, состоящий из якоря 17, жестко связанного со штоком запорного органа 7, пробки 18, стопа 19, катушки 20, антифрикционной втулки 21, гофрированной шайбы 22, цилиндрического магнитопровода 23, обмотки катушки 24 электромагнита, фланца 25 магнитопровода, на котором закреплена втулка 21. Мембрана 15 может быть снабжена фильтрующими отверстиями (на чертежах не показаны).

Пневмораспределитель работает следующим образом.

При отсутствии напряжения на обмотке катушки 24 электромагнита запирающая пружина 9 прижимает запорный орган 7 клапана с уплотнительным кольцом 8 к седлу 13 корпуса, в результате чего в рабочую полость 16 клапана не поступает сжатый воздух по воздуховоду высокого давления 2 от источника сжатого воздуха. При этом воздуховод исполнительного устройства 4 соединяется через рабочую полость 16 клапана с воздуховодом низкого давления 3. При подключении обмотки катушки 24 электромагнита к источнику постоянного тока создается магнитный поток, который замыкается через магнитопровод 23, стоп 19, якорь 17, магнитопроводную мембрану 15 и фланец 25 электромагнита. Этот магнитный поток создает усилие, притягивающее якорь 17 к стопу 19. Вследствие этого запирающая пружина 9 сжимается, запорный орган 7 клапана прижимается уплотнительным кольцом 8 к седлу 14 втулки, а якорь 17 притягивается к стопу 19, но не упирается в стоп.

Выполнение стопа в форме усеченного конуса и якоря с конусным вырезом, повторяющим форму стопа, обеспечивает работу электромагнитного привода без ударов якоря по стопу. Расстояние между якорем и стопом при отключенной обмотке катушки электромагнита от источника постоянного тока складывается из амплитуды колебания якоря и минимального зазора между якорем и стопом в притягивающем положении. Амплитуда колебания якоря соответствует рабочему ходу запорного органа 7 клапана при его открывании и закрывании и определяется толщиной втулки 10. Минимальный зазор, с одной стороны, должен обеспечивать проведение магнитного потока от якоря к стопу для создания усилия прижатия запорного органа к седлу втулки, а с другой стороны, должен предотвратить повышенный износ уплотнительного кольца запорного органа со стороны втулки за счет слишком большой силы притяжения, которая тем больше, чем меньше зазор между якорем 17 и стопом 19. Однако в случае отсутствия соприкосновения якоря и стопа при цилиндрических формах якоря и стопа расстояние между их торцевыми поверхностями слишком большое, чтобы эффективно обеспечить притягивающую силу при подключении обмотки катушки к источнику постоянного тока.

В большинстве случаев ограничение по механическому шуму и износостойкости устанавливает расстояние между стопом и якорем в отключенном состоянии катушки электромагнита от 2 до 3 мм, что превышает допустимое значение воздушного зазора между торцевыми поверхностями якоря и стопа в случае цилиндрических форм. Поэтому применение конусных поверхностей, сохраняя большую амплитуду колебания якоря и удовлетворяя требованию износостойкости, позволяет уменьшить зазор между якорем и стопом в силу того, что магнитные силовые линии распространяются по наикратчайшему расстоянию, то есть перпендикулярно конусным поверхностям. Таким образом, наличие конусных поверхностей у якоря и стопа позволяет увеличить амплитуду перемещения якоря и уменьшить воздушный зазор между якорем и стопом. Отсутствие металлического контакта в фазе притяжения якоря к стопу позволяет обеспечить бесшумность работы электромагнитного клапана, а также уменьшить эффект залипания якоря к стопу, что увеличивает быстродействие клапана при его движении на закрытие воздуховода высокого давления под воздействием упругой силы запирающей пружины. Кроме того, выполнение в якоре конического выреза уменьшает вес якоря и усилие, необходимое для срабатывания клапана, а значит уменьшается расход энергии и увеличивается быстродействие. Антифрикционная втулка 21 уменьшает потери на трение, центрирует якорь 17 и клапан 7 и своей малой толщиной незначительно ослабляет магнитный поток между фланцем 25 электромагнита и якорем 17. Неточности изготовления катушки с обмоткой, стопа, фланца и магнитопровода компенсируются при сборке пневмораспределителя свободным перемещением антифрикционной втулки 21 по стопу 19 и поджатием катушки с обмоткой к стопу гофрированной шайбой 22. Величина зазора между седлом 14 втулки и запорным органом 7 клапана, а также зазор между якорем 17 и стопом 19 в закрытом положении клапана регулируется и контролируется при сборке пневмораспределителя через центральное отверстие в стопе 19. Когда якорь 17 притягивается к стопу 19, воздуховод 4 исполнительного устройства соединяется через рабочую полость 16 клапана с воздуховодом высокого давления 2. Отключение источника постоянного тока от обмотки катушки 24 электромагнита вызывает соединение воздуховода исполнительного устройства 4 через рабочую полость 16 клапана с воздуховодом низкого давления 3. При высоком быстродействии пневмораспределителя возникает дополнительный источник аэродинамического шума, появляющегося при выпуске воздуха из рабочей полости 16 клапана в воздуховод низкого давления 3. Наиболее эффективный способ снижения аэродинамического шума заключается в уменьшении скорости истечения струи сжатого воздуха из рабочих полостей клапанов. С этой целью между клапанами размещены встроенные глушители 5 в виде набора металлических сеток, которые разбивают одну струю на множество струй и тем самым уменьшают скорость истечения воздуха. На концах воздуховода низкого давления установлены выносные камерные глушители 6 в виде набора тканей. Воздух перетекает из камеры в камеру через ткань, при этом меняет многократно направление движения и на выходе из камерного глушителя имеет скорость истечения, ненамного отличающуюся от скорости движения частиц окружающего воздуха. Камерные глушители 6 подсоединяются либо к источнику вакуума, либо сообщаются с атмосферой.

Предлагаемый пневмораспределитель позволяет более эффективно управлять рабочим телом пневмосистемы, так как обладает более высоким быстродействием, имеет малые габариты и компактное исполнение. Конструкция воздуховодов предусматривает пониженные уровни механического и аэродинамического шумов. Способ создания магнитных потоков в устройстве пневмораспределителя способствует малой энергоемкости и снижению веса пневмораспределителя. Конструкция позволяет из большого количества клапанов собрать компактный плоский блок, управляющий большим количеством пневмооболочек и пневмоцилиндров в пневмосистемах робототехнических и биохимических устройств. Механическая схема управления рабочим телом и выполнение электромагнитного привода с высокой износостойкостью делают пневмораспределитель надежным и долговечным в эксплуатации.

Изобретение предназначено для управления пневмооболочками и пневмоцилиндрами робототехнических и медицинских устройств. Пневмораспределитель содержит корпус, в котором установлены один или несколько клапанов, каждый из которых включает запорный орган с отключающей пружиной и электромагнитным приводом в виде цилиндрического магнитопровода, катушки, стопа и подвижного якоря. Причем воздуховоды для подвода рабочей среды выполнены общими для всех клапанов. В каждом из клапанов между запорным органом и якорем установлена магнитопроводная мембрана. Последняя разделяет рабочую полость клапана и полость, в которой расположен электромагнитный привод. Якорь размещен в антифрикционной втулке. Изобретение позволяет более эффективно управлять рабочим телом пневмосистемы, снизить энергоемкость и вес пневмораспределителя, повысить надежность и долговечность устройства. 1 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пневмораспределитель, содержащий корпус, в котором установлены один или несколько клапанов, каждый из которых включает запорный орган с отключающей пружиной и электромагнитным приводом в виде цилиндрического магнитопровода, катушки, стопа и подвижного якоря, причем воздуховоды для подвода рабочей среды выполнены общими для всех клапанов, отличающийся тем, что в каждом из клапанов между запорным органом и якорем установлена магнитопроводная мембрана, разделяющая рабочую полость клапана и полость, в которой расположен электромагнитный привод, а якорь размещен в антифрикционной втулке. 2. Пневмораспределитель по п. 1, отличающийся тем, что между запорным органом клапана и электромагнитным приводом установлена втулка с центральным ступенчатым отверстием для отключающей пружины и штока запорного органа клапана, толщина которой выбрана таким образом, чтобы рабочий ход запорного органа клапана был меньше зазора между якорем и стопом при отключенном положении электромагнитного привода. 3. Пневмораспределитель по п.1, отличающийся тем, что воздуховоды для управления исполнительными органами пневмосистемы от всех клапанов выведены на одну плоскость корпуса пневмораспределителя. 4. Пневмораспределитель по п.1, отличающийся тем, что воздуховоды для подвода высокого и низкого давления выполнены радиальными. 5. Пневмораспределитель по п.1, отличающийся тем, что стоп выполнен в форме усеченного конуса со стороны якоря, который снабжен со стороны стопа конусным вырезом, соответствующим форме стопа. 6. Пневмораспределитель по п.1, отличающийся тем, что воздуховод низкого давления снабжен выносными камерными глушителями, установленными на обоих концах пневмораспределителя, и встроенными глушителями, установленными между клапанами. 7. Пневмораспределитель по п.1, отличающийся тем, что магнитопроводная мембрана снабжена фильтрующими отверстиями. 8. Пневмораспределитель по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод снабжен фланцем, на котором закреплена антифрикционная втулка. 9. Пневмораспределитель по п.1, отличающийся тем, что стоп снабжен центральным отверстием.