КОНУС КЛАПАНА, КЛАПАН И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНУСА КЛАПАНА Российский патент 2002 года по МПК F16K1/54 

Настоящее изобретение относится к конусу клапана, клапану и способу изготовления конуса клапана.

В клапанах конусного типа конус клапана используется для регулирования потока во взаимодействии с седлом. Такие конусы клапана могут быть выполнены различными способами.

DE 10 62 507 описывает конус клапана, который первым концом присоединен к шпинделю клапана, а его второй конец расположен с возможностью взаимодействия с седлом клапана. Когда клапан закрыт, конус прижат шпинделем клапана к седлу для его уплотнения (закрытие давлением).

Конус образован радиальным расширением в отверстии, проходящем в осевом направлении в форме буквы V. Конус открывается и закрывается в осевом направлении и регулируется в радиальном направлении с помощью седла клапана. При такой конструкции клапана возможность регулирования может быть достигнута в очень ограниченном диапазоне. Кроме того, суживающийся к концу конус приводит к большим изменениям потока вблизи закрытого положения, не обеспечивая достижения необходимой регулируемости при малых потоках.

Поскольку осевая направленность конуса осуществляется, с одной стороны, посредством шпинделя, с другой стороны, расстоянием по оси от седла, конус создает и распространяет вибрацию при прохождении жидкости через клапан, которая приводит к высокому уровню шума и к износу клапана.

DE 18 16 002 описывает асимметричный конус клапана, подобный рыбьему зеву с прорезанной канавкой, которая через концевую часть конуса простирается в осевом направлении от одного края к противоположному краю. Канавка простирается на разные расстояния у разных сторон, и соответствующие концевые участки канавки сужаются по окружности и углубляются в радиальном направлении.

Последний из описанных конусов благодаря его асимметричности, чувствителен к установке под углом и при работе подвергается неравномерным нагрузкам, что приводит к преждевременному износу клапана.

Конусы клапана, описанные выше, имеют недостаток, заключающийся в сложной форме, что приводит к сложности и дороговизне при их производстве. Сложная форма также создает трудности в расчете и выдержке размеров таких конусов.

Кроме того, два вышеописанных конуса клапана действуют с закрытым давлением, при котором шпиндель клапана подвергается изгибающему усилию при закрытии клапана. Чем сильнее прижимается клапан к седлу, тем сильнее возникающее изгибающее усилие. Это приводит к тому, что шпиндель постепенно изгибается, и в этом случае конус может быть расположен не по центру в седле, что приводит к его неравномерному износу.

ЕР 0 457 132 описывает конус клапана, имеющий V-образные осевые канавки треугольного поперечного сечения и разной длины. Этот конус клапана предназначен для регулирования потоков жидких пищевых продуктов и для работы при так называемом закрытии давлением.

Этот конус имеет хорошую возможность регулировки только в очень ограниченных пределах. Большие потоки через треугольные канавки недопустимы.

Информационные проспекты Технологической корпорации Хансена, Бурр Ридж, Иллинойс, США, описывают клапан, имеющий V-образный затвор и четыре V-образных канавки, которые образуют коронку. В нижней части этой коронки канавки имеют относительно большую радиальную глубину. Шпиндель клапана присоединен к открытому концу коронки, и в противоположность вышеописанным конусам, этот конус предназначен для закрытия натяжением. Закрытие натяжением означает, что конус клапана, когда клапан закрыт, приводится в действие посредством привода, например шпинделя клапана с силой натяжения, действующей в направлении закрытого положения, в противоположность закрытию давлением.

Эта конструкция имеет сложную форму и поэтому трудна в расчете и дорога в производстве. Эта конструкция с большими трудностями может быть получена механизированным способом. Литье такого конуса клапана имеет несколько недостатков. Производство является дорогим, поскольку необходимы дорогие инструменты. Кроме того, при таком способе получается широкий разброс допусков.

Задачей этого изобретения является создание конуса клапана, который усовершенствован по сравнению с предшествующим уровнем техники, описанным выше.

Другой задачей этого изобретения является создание конуса клапана, который обеспечивает требуемое регулирование в широком диапазоне, обеспечивая достаточно точное регулирование при очень малых потоках.

Еще одной задачей этого изобретения является создание конуса клапана простого и недорогого в производстве.

Еще одной задачей этого изобретения является создание конуса клапана, работа которого практически не зависит от допусков при производстве.

Согласно изобретению технический результат достигается посредством конуса клапана, клапана и способа изготовления конуса клапана по пунктам 1, 12 и 14.

Посредством корпуса конуса клапана, имеющего в предпочтительном воплощении контурную линию, которая выполнена непрерывно вогнутой в направлении отверстия, в поперечном сечении, перпендикулярном корпусу конуса, представляется возможным упрощение требуемых размеров, поскольку постоянное распределение потока достигается во всем поперечном сечении отверстия. Кроме того, благодаря отсутствию острых краев достигается упрощенное выполнение отверстия, поскольку простым способом может быть использована механическая обработка.

Так как в предпочтительном воплощении ширина больше глубины той части отверстия, которая расположена вблизи конца отверстия, в направлении которого площадь поперечного сечения отверстия уменьшается, обеспечивается плавное изменение площади поперечного сечения. В результате достигается очень точная регулировка малых потоков.

Эти две особенности приводят к существенному усовершенствованию управляемости конусов клапанов, в то же время они могут быть выполнены сравнительно простым способом с относительно грубыми допусками при поддержании необходимой управляемости.

Конструкция конуса клапана согласно изобретению отличается благодаря предложенному способу выполнения радиального отверстия посредством осевого фрезерования за один проход фрезы, что означает значительное упрощение производства по сравнению с ранее применяемыми способами изготовления для таких клапанов. Более того, точность фрезерования в этом способе изготовления может быть, при обеспечении требуемой управляемости обработанного конуса клапана, сравнительно низкой. Кроме того, конус клапана, имеющего требуемую управляемость в очень широких пределах, получается с минимальной степенью удаления материала.

Согласно одному воплощению изобретения конус клапана содержит от двух до пяти осевых отверстий, таким образом достигая распределения потока и радиальных усилий, действующих на конус. Предпочтительно, эти отверстия имеют одинаковую длину и распределены равномерно по окружности конуса. Это гарантирует симметричный поток вокруг конуса и симметричные силы, действующие на конус во время регулирования.

Особенно предпочтительно, чтобы количество отверстий было равно четырем, как было получено в практических опытах, что отразилось в преимущественном соотношении между глубиной и шириной отверстий вдоль их длины.

Согласно другому воплощению изобретения непрерывно вогнутая контурная линия имела округлую форму, предпочтительно эллиптическую. Чем более округлой является контурная линия, тем более равномерным будет достигнуто распределение потока в поперечном сечении отверстия.

Согласно особенно предпочтительному воплощению эллиптическая контурная линия имеет форму дуги окружности. В связи с этим изобретением круг рассматривается как крайний случай эллипса. Эта форма является преимущественной при выполнении отверстий в конусе фрезерованием, поскольку форма таких отверстий соответствует сегменту фрезы, направленной параллельно продольной оси конуса. Соответственно, во время процесса производства фрезу не нужно перемещать в круговом направлении, а только в осевом и радиальном направлениях.

В этом особенно предпочтительном воплощении радиус кругового сектора находится в диапазоне от 0,25 до 0,75 R1, где R1 является радиусом конуса. При таких отношениях радиусов в практических опытах была достигнута превосходная управляемость. Особенно хорошие результаты были получены с поверхностью кругового сектора в диапазоне от 0,5 до 0,64 R1.

Согласно еще одному воплощению изобретения конус клапана выполнен с возможностью работы с так называемым закрытием притяжением, в котором привод, например шпиндель вентиля, выступает из того конца корпуса конуса, у которого вырез расширяется. По сравнению с клапанами для закрытия притяжением функция привода таким образом усовершенствуется, так же как функция клапана в целом, в то же время износ уменьшается, и срок службы входящих в клапан частей увеличивается.

В одном воплощении изобретения, конус направлен радиально в седло клапана, в этом случае канавка, у того конца корпуса, у которого канавка расширяется, окружена по кругу частями радиального участка. Это приводит к формированию коронки, посредством которой выполняется регулирование, когда клапан находится в своем открытом состоянии. Радиальный участок частей, окружающих отверстие, также гарантирует высокую прочность конуса в радиальном направлении, когда вентиль полностью открыт.

Согласно еще одному особенно предпочтительному воплощению канавка имеет продольный участок, в плоскости вдоль продольной оси, в котором граничная линия корпуса в направлении отверстия имеет по существу постоянный изгиб, предпочтительно выпуклый изгиб. Постоянный изгиб обеспечивает однородный поток вдоль всей канавки. Выпуклый изгиб контурной линии, кроме того, обеспечивает хорошую управляемость в широком диапазоне, а также особенно хорошую управляемость для малых потоков.

Согласно одному аспекту изобретения оно содержит клапан, имеющий конус клапана, связанный с седлом клапана. В предпочтительном воплощении клапана радиальное направление конуса клапана выполнено посредством взаимодействия между цилиндрической поверхностью конуса клапана и поверхностью, связанной с седлом клапана и обращенной к продольной оси конуса клапана. Это обеспечивает равномерное направление клапана в область, где нагрузки возрастают. Это воплощение может быть скомбинировано с управляющим стержнем, который установлен для закрытия притяжением.

Различные воплощения могут быть скомбинированы друг с другом или с другими особенностями воплощений этого изобретения, как будет описано ниже.

Изобретение ниже будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые иллюстрируют неограничивающие воплощения и в которых:
фиг.1 - это вид в аксонометрии конуса клапана согласно предпочтительному воплощению,
фиг.2 - это вид поперечного сечения конуса клапана на фиг.1,
фиг.3 - это продольное сечение конуса клапана на фиг.2,
фиг. 4 - это схематический вид, частично в поперечном сечении, клапана согласно одному воплощению изобретения.

На фиг.1 показан конус клапана согласно изобретению, который предназначен для использования в клапане. Конус клапана содержит цилиндрический корпус 1, предпочтительно круглоцилиндрический, проходящий вдоль продольной оси А. Корпус 1 предпочтительно выполнен из металла и имеет цилиндрическую поверхность 5 с четырьмя осевыми канавками. Канавки выполнены одинаковыми или равномерно расположенными по окружности. Наружная выпуклая контурная линия 4, выполненная вокруг каждой канавки 3, образует границу между соответствующими канавками 3 и цилиндрической поверхностью 5. Канавки 3 расположены между первым концевым положением у первого верхнего конца 10 цилиндрического корпуса 1 и вторым концевым положением 14 между первым верхним концом 10 корпуса и противоположным вторым нижним концом 11 корпуса. Канавка 3 имеет радиальную глубину d и ширину b в поперечном сечении в плоскости, перпендикулярной продольной оси А, и площадь поперечного сечения постепенно уменьшается от максимальной величины вблизи первого верхнего конца 10 в направлении второго концевого положения 14.

Во втором нижнем конце 11 корпуса 1 образован кольцевой поясок, который обеспечивает закрытие седла клапана. Этот поясок, кроме того, способствует фиксации конечного положения при закрытии клапана.

Благодаря форме конуса клапана цилиндрическая поверхность 5 конуса клапана образует проводящую поверхность в седле клапана. На первом верхнем конце 10 цилиндрического корпуса 1 канавка 3 окружена по окружности частями 8 радиального участка. В результате образуется проводящая коронка, на наружной части которой имеется цилиндрическая поверхность 5, выполненная для направления конуса в его максимально открытое состояние.

В корпусе 1 в осевом направлении выполнено центральное отверстие 9, которое обеспечивает прием шпинделя клапана. Шпиндель клапана может быть расположен в любом направлении в конусе клапана, что является большим преимуществом и делает конус клапана применимым в различных типах клапанов. Однако шпиндель клапана предпочтительно расположен так, чтобы выступать из того конца 10 корпуса 1, где канавки 3 имеют наибольшую глубину, т.е. вблизи коронки, так чтобы действовать с так называемым закрытием натяжением.

На фиг. 2 показан цилиндрический корпус 1 конуса в поперечном сечении, перпендикулярном продольной оси А. В этом поперечном сечении корпус 1 образует контурную линию 12, которая выполнена непрерывно вогнутой в направлении каждой из канавок 3, т.е. контурная линия 12 не имеет выпуклости ни в одной отдельно взятой точке. Предпочтительно, контурная линия вогнута в округлой форме, т.е. она не имеет острых участков.

В этом воплощении контурная линия 12 имеет эллиптическую форму, в частности круглую, с постоянным радиусом R2. В связи с отношением радиусов, которые предпочтительны для этого изобретения, R2 равен, по меньшей мере, 0,25 R1, где R1 является радиусом цилиндрического корпуса 1 конуса, и более предпочтительно, по меньшей мере, 0,5 R1. Предпочтительный радиус контурной линии 12 максимально равен 0,75 Rl и более предпочтительно максимально 0,64 R1.

Как также очевидно из фиг.2, канавки 3 имеют ширину b больше, чем глубину d. В отношении Rl и R2 в иллюстрируемом воплощении ширина b значительно больше, чем глубина d в самой неглубокой части канавки 3. Только в самой глубокой трети выреза глубина d > 0,5b.

На фиг. 3 показан цилиндрический корпус конуса клапана в продольном сечении, в плоскости, расположенной вдоль продольной оси А. Как ясно из этого чертежа, контурная линия 13 корпуса 1 имеет в направлении канавки постоянный, предпочтительно выгнутый изгиб. Радиус изгиба очень большой во втором концевом положении 14 и предпочтительно может быть бесконечным. Радиус изгиба затем уменьшается по мере увеличения расстояния до концевого положения 14.

На фиг.4 схематически показано предпочтительное воплощение клапана с конусом клапана вышеописанного типа. Клапан содержит корпус 20 клапана и уплотняющую муфту 22, через которую проходит шпиндель 21 клапана. Корпус клапана в качестве дроссельного средства содержит конус клапана, который закреплен на одном конце шпинделя 21 клапана и имеет тип, описанный выше. Седло 23 клапана расположено по центру корпуса 20 клапана. Цилиндрическая поверхность 5 конуса клапана направлена в седло посредством подгонки к внутренней цилиндрической поверхности. Показанный клапан работает с закрытием натяжением. В закрытом положении клапана кольцевой поясок упирается в противолежащую поверхность седла клапана. Комбинация конуса клапана согласно изобретению и направляющей как в седле клапана, так и в уплотняющей муфте, а также режима работы клапана с закрытием натяжением приводит к получению клапана с исключительно хорошими управляющими качествами, а также длительным сроком службы и низкой стоимостью производства.

В способе изготовления конуса клапана согласно изобретению канавки выполнены посредством осевого фрезерования в цилиндрической заготовке. В этом способе используется циркулярная фреза, предпочтительно концевая фреза.

Согласно предпочтительному способу цилиндрическую заготовку закрепляют и затем на фрезерном станке посредством концевой фрезы производят фрезеровку, начиная с первого конца цилиндрической заготовки. Далее вращающуюся фрезу продвигают вперед в осевом направлении в заготовке до тех пор, пока она не будет выведена прямо наружу вдоль линии, проходящей по продольной оси заготовки. Такое направление обработки было найдено для получения быстрого и простого процесса фрезерования.

В предпочтительном способе изготовления конуса клапана ось фрезы по существу параллельна продольной оси цилиндрической заготовки во время процесса фрезерования. Оказалось, что это обеспечивает требуемую форму канавок.

Каждую из канавок образуют за один радиально-осевой проход фрезы. В результате форма канавок будет определяться диаметром фрезы, углом фрезы и отношением осевого хода к радиальному ходу.

Способ изготовления конуса клапана преимущественно осуществляется посредством программируемой фрезы.

Конус клапана и клапан согласно изобретению устанавливаются для регулирования потоков различных текучих сред. Особенно подходящая область применения - это регулирование потоков жидкостей, лучше всего регулирование потоков воды, например, в тепловых установках.

Следует также отметить, что это изобретение не ограничивается воплощениями, описанными выше, и возможны несколько его модификаций в рамках объема изобретения, как заявлено в прилагаемой формуле изобретения.

Конус клапана согласно изобретению может, вместо обработки из металлической заготовки, быть изготовлен с помощью процесса литья. Для различных применений он также может быть выполнен из пластического материала посредством, например, прессования под давлением.

Например, возможно выполнить требуемые канавки посредством фрезы, обрабатывающей в боковом направлении, например концевой фрезы, или комбинированной фрезы, которая работает как в осевом, так и в боковом направлениях.

Кроме того, возможно выполнить канавки посредством установленной под небольшим углом концевой фрезы и/или фрезы, фрезерующей в боковом направлении, путем обработки в противоположном направлении относительно вышеописанного предпочтительного способа.

Изобретение относится к конструкции клапанов, предназначенных для регулирования потока среды при взаимодействии с седлом. Конус клапана содержит цилиндрический корпус, проходящий вдоль продольной оси. Корпус имеет цилиндрическую поверхность и, по меньшей мере, одну проходящую в осевом направлении канавку. Канавка проходит между первым концевым положением у первого конца цилиндрического корпуса и вторым концевым положением между первым концом корпуса и противоположным вторым концом корпуса. Канавка имеет радиальную глубину и ширину. Площадь поперечного сечения канавки в плоскости, перпендикулярной продольной оси, постепенно уменьшается от максимальной величины вблизи первого конца в направлении второго концевого положения. Корпус в поперечном сечении, перпендикулярном к продольной оси, имеет контурную линию, которая выполнена непрерывно вогнутой в направлении канавки. Часть канавки, которая проходит от второго концевого положения, имеет ширину большую, чем ее глубина. Канавка имеет продольный участок в плоскости, расположенной вдоль продольной оси, в котором контурная линия корпуса в направлении к канавке имеет по существу непрерывный изгиб, предпочтительно выпуклый изгиб. Конус клапана вышеописанного типа расположен в клапане. В способе изготовления конуса клапана радиальные канавки формируют путем фрезерования за один проход радиально-осевого фрезерования. Изобретение позволяет получить конус клапана, обеспечивающего требуемое регулирование клапана в широком диапазоне и достаточно точное регулирование при очень малых потоках, при этом конус клапана прост и недорог в производстве. 3 с. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Конус клапана, содержащий цилиндрический корпус, проходящий вдоль продольной оси и имеющий цилиндрическую поверхность и, по меньшей мере, одну проходящую в осевом направлении канавку, которая внутри контурной линии проходит между первым концевым положением у первого конца цилиндрического корпуса и вторым концевым положением между первым концом корпуса и противоположным вторым концом корпуса, причем канавка имеет радиальную глубину (d) и ширину (b), и имеет поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной продольной оси, площадь которого постепенно уменьшается от максимальной величины вблизи первого конца в направлении второго концевого положения, а корпус в поперечном сечении, перпендикулярном к продольной оси, имеет контурную линию, которая выполнена непрерывно вогнутой в направлении канавки, отличающийся тем, что часть канавки, которая проходит от второго концевого положения, имеет ширину большую, чем ее глубина, при этом канавка имеет продольный участок в плоскости, расположенной вдоль продольной оси, в котором контурная линия корпуса в направлении к канавке имеет, по существу, непрерывный изгиб, предпочтительно выпуклый изгиб. 2. Конус клапана по п.1, отличающийся тем, что он имеет от 2 до 5 канавок, проходящих в осевом направлении. 3. Конус клапана по п.2, отличающийся тем, что он имеет четыре канавки. 4. Конус клапана по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что непрерывно вогнутая контурная линия корпуса вогнута округлым образом в направлении канавки. 5. Конус клапана по п.4, отличающийся тем, что вогнутая контурная линия составляет часть окружности круга, имеющего радиус R2. 6. Конус клапана по п.5, отличающийся тем, что цилиндрический корпус имеет радиус R1, а радиус R2 находится в диапазоне 0,25R1-0,75R1, предпочтительно 0,50R1-0,64R1. 7. Конус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что часть канавки, имеющая ширину больше глубины, содержит осевой участок, имеющий размер, по меньшей мере, равный половине длины канавки. 8. Конус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что на втором конце цилиндрического корпуса расположен кольцевой упор. 9. Конус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что из первого конца корпуса выступает шпиндель. 10. Конус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что канавка у первого конца цилиндрического корпуса окружена по окружности участками, имеющими радиальный участок. 11. Конус клапана по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что контурная линия канавки имеет выпуклую форму с выпуклостью наружу. 12. Клапан, включающий конус клапана, содержащий цилиндрический корпус, проходящий вдоль продольной оси и имеющий цилиндрическую поверхность и, по меньшей мере, одну проходящую в осевом направлении канавку, которая внутри контурной линии проходит между первым концевым положением у первого конца цилиндрического корпуса и вторым концевым положением между первым концом корпуса и противоположным вторым концом корпуса, причем канавка имеет радиальную глубину (d) и ширину (b), и имеет поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной продольной оси, площадь которого постепенно уменьшается от максимальной величины вблизи первого конца в направлении второго концевого положения, а корпус в поперечном сечении, перпендикулярном к продольной оси, имеет контурную линию, которая выполнена непрерывно вогнутой в направлении канавки, отличающийся тем, что часть канавки, которая проходит от второго концевого положения, имеет ширину большую, чем ее глубина, при этом канавка имеет продольный участок в плоскости, расположенной вдоль продольной оси, в котором контурная линия корпуса в направлении к канавке имеет по существу непрерывный изгиб, предпочтительно выпуклый изгиб. 13. Клапан по п.12, отличающийся тем, что конус клапана выполнен с возможностью радиального регулирования, которое осуществляется посредством взаимодействия между цилиндрической поверхностью конуса клапана и поверхностью, связанной с седлом клапана и обращенной к продольной оси конуса клапана. 14. Способ изготовления конуса клапана, имеющего, по меньшей мере, одну осевую канавку, отличающийся тем, что включает следующие этапы: изготовление цилиндрической заготовки, выполнение канавок посредством вырезания заготовки циркулярной фрезой, выполнение механической обработки в осевом направлении между первым концом заготовки и положением вблизи противоположного конца заготовки, перемещение фрезы в радиальном направлении во время механической обработки и выполнение каждой из канавок за один радиально-осевой проход фрезерования. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что ось инструмента во время механической обработки удерживают параллельно продольной оси заготовки, а фрезерование осуществляют в направлении от первого конца к противоположному концу. 16. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что фреза является концевой фрезой.