КЛАПАН-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F16K11/44 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводных магистралях, преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды

Существующие распределители разделяются по конструкции запорного элемента на золотниковые, крановые и клапанные.

Золотниковые распределители работают при больших давлениях и расходах, но для таких распределителей характерно наличие утечек через диаметральный зазор между кольцевой расточкой корпуса и поясками золотника.

Крановые распределители применяются в основном при небольших давлениях и расходах, запорным элементом у них служит конический или шаровой кран, который поворачивается в корпусе с уплотнениями вокруг оси. Недостаток: при больших давлениях возникают большие силы трения при открытии и закрытии крана.

Клапанные распределители применяют в быстроразъемных соединениях трубопроводов и рукавов, а также в гидрозамках. Конструктивно запорным элементом у них является шар или конус. По сравнению с другими распределителями клапанные имеют более высокую герметичность, но имеют тот же недостаток, что и другие, при увеличении давления и расхода требуются большие усилия при переключении [К.М. Холин, О.Ф. Никитин. Основы гидравлики и объемные гидроприводы. М., Машиностроение, 1989 г., стр. 99-104].

Известен клапан (патент РФ № 2163318 от 20.02.2001), содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, седло клапана и запорный элемент, выполненный в виде диска.

Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу при отпирании и запирании больших усилий, необходимых для преодоления сил давления рабочей среды на запорный элемент. Указанное обстоятельство затрудняет использование клапана при больших давлениях рабочей среды и/или больших подачах, так как сила, действующая на клапан под действием давления рабочей среды, увеличивается прямо пропорционально давлению и площади запорного элемента.

Известен клапан (патент РФ № 2159857 от 27.11.2000) золотникового типа, содержащий цилиндрический запорный элемент, перекрывающий выходные отверстия. В указанной конструкции клапана не требуется приложение значительных механических усилий при отпирании и запирании клапана.

Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения полной герметичности клапана в закрытом положении, кроме того, герметичность клапана значительно снижается при уменьшении качества обработки сопрягающихся элементов клапана.

Наиболее близким к настоящему изобретению является клапан-распределитель (SU 1599611 А1, кл. F 16 К 11/00, 15.10.1990), содержащий корпус с входным и выходными отверстиями, сёдла клапана, запорный элемент, выполненный в виде цилиндрической втулки и соединенный с приводом, а также и уплотнительные узлы.

Недостатком указанного клапана является необходимость приложения к запорному элементу значительной силы при отпирании и запирании клапана, так как силы, приложенные к запорному элементу, сформированные давления рабочей среды в известной конструкции не уравновешены. Указанное обстоятельство может также приводить к тому, что в гидравлических системах, в которых используется известный клапан, могут возникать автоколебания при работе в режиме малых расходов. Такие автоколебания, проявляющиеся в виде “стука” или “гудения” клапана, приводят к возникновению в системе гидравлических ударов, и в ряде случаев, способны привести к разрушению системы.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в снижении сил, необходимых для перемещения запорного элемента, с одновременным повышением устойчивости работы, так как в гидравлической системе, в которой установлен клапан, отсутствуют условия для возникновения автоколебаний при отпирании и запирании клапана. В клапане заявленной конструкции совмещаются преимущества тарельчатого и золотникового клапанов, т.е. обеспечивается повышенная герметичность клапана в закрытом положении одновременно с ликвидацией сил, действующих на привод запорного элемента в результате влияния давления рабочей среды. Кроме того, клапан заявленной конструкции не требует повышенного качества обработки деталей для обеспечения нормальной работы в связи с наличием в нем уплотнительных элементов, а также в связи с тем, что герметичность клапана в закрытом положении обеспечивается за счет приработки седла клапана и нижней кромки запорного элемента.

Указанный технический результат достигается за счет того, что клапан-распределитель содержит корпус с входным и выходным отверстиями, сёдла клапана, запорный элемент, выполненный в виде полой цилиндрической втулки и соединенный с приводом, и что запорный элемент снабжен выступами, выполненными на его наружной поверхности в плоскости поперечного сечения и контактирующими с внутренней поверхностью корпуса, а торцевые поверхности запорного элемента и сёдел клапана выполнены в виде обратных усеченных конусов, кроме того, указанные выступы расположены по торцам запорного элемента, и может быть снабжен опорными втулками, размещенными внутри полой цилиндрической втулки с обеих ее сторон, снабженными уплотнителями по их внешним сторонам, при этом опорные втулки жестко закреплены относительно корпуса.

Благодаря предложенной конструкции продольные силы, создаваемые давлением рабочей среды, уравновешивают друг друга и обеспечивается герметичность устройства и уменьшается усилие, необходимое для осуществления перемещения запорного устройства.

На фиг. 1 представлен продольный разрез общего вида устройства.

На фиг. 2 представлен продольный разрез общего вида устройства (распределитель переключен на другое выходное отверстие).

На фиг. 3 представлено сечение по А-А общего вида.

Распределитель содержит корпус 1 с выполненным в нем входным отверстием 2, корпус левый 3 с выходным отверстием 4 и корпус правый 5 с выходным отверстием 6.

Указание на выполнение входного отверстия в верхней части распределителя и выходных в нижней части являются условным и использовано для упрощения описания взаимного расположения элементов. Распределитель сохраняет работоспособность при любом его расположении в пространстве.

Запорный элемент клапан-золотник выполнен в виде полой цилиндрической втулки, состоящей из цилиндрических частей 7 и 8 и внутренней перегородки 9. Торцы запорного элемента выполнены в виде обратных усеченных конусов для поочередного кольцевого контакта с седлом 10 корпуса 3 и с седлом 11 корпуса 4, а внутренние диаметры запорного элемента левой части 7 и правой 8 одинаковы. Внутренняя цилиндрическая поверхность запорного элемента 7 охватывает выступающую часть 12 с уплотнительным кольцом 13 опорной втулки 14 и контактирует с седлом 10, закрывая проходное отверстие 15, а правая цилиндрическая поверхность запорного элемента 8 охватывает выступающую часть 16 опорной втулки 17 с уплотнительным кольцом 18, но не перекрывает проходное сечение 19 корпуса 5.

Привод может быть выполнен, например, в виде рычага 19, закрепленного с помощью оси 20 на кронштейне 21, связанного при помощи винтовой оси 22 с контрящей гайкой со штоком 23 и фиксирующегося пружиной сжатия 24, закрепленной другим концом на кронштейне 25.

Кронштейны 21 и 25 закреплены на разрезном фланце 26, который через шпильки 27 жестко связан с фланцем 28. Фланцы 26 и 28 и шпильки 27 жестко скрепляют и при помощи уплотнения 29 герметизируют всю конструкцию распределителя. А между фланцем 27 и корпусом 3 расположена заглушка 30 с уплотнительным кольцом 31, перекрывая технологическое отверстие.

Шток 23, одним концом связанный через винтовую ось 23 с рычагом 19, а другим концом - с внутренней перегородкой 9 запорного элемента при помощи законтренных гаек 32 в зависимости от положения рычага 19 перемещает клапан-золотник вдоль оси распределителя из крайнего левого положения, (фиг. 1) в крайнее правое (фиг.2).

Запорный элемент снабжен выступами 33, выполненными на его наружной поверхности в плоскости поперечного сечения и контактирующими с внутренней поверхностью корпуса.

Седло 10 левого корпуса 3 распределителя выполнено так, что обеспечивает контакт с большей частью торцевой поверхности запорного элемента с рабочей средой со стороны входного отверстия, т.е. с рабочей средой в крайнем левом положении запорного органа контактирует практически вся крайняя торцевая поверхность части 7 клапана-золотника за исключением внутренней крайней левой поверхности, входящей в соприкосновение с седлом 10. Предпочтительным вариантом является обеспечение контакта внутренней кромки торцевой поверхности клапана с седлом корпуса на минимальной площади за счет выполнения указанной кромки и седла корпуса из твердых сплавов. Таким образом, обеспечивается кольцевой контакт меньшей части торцевой поверхности запорного элемента с поверхностью седла распределителя, охватывающего выходное отверстие. При этом торцевая поверхность запорного элемента, контактирующего с седлом, выполнена в виде усеченного обратного конуса.

Правая часть распределителя отличается только тем, что в корпусе 3 расположена опорная втулка 16, обеспечивающая свободное движение штока 23, связь между входным 2 и выходным 6 отверстиями и роль заглушки между корпусом 5 и фланцем 26. Клапан-золотник, перемещаясь в крайне правое положение при помощи штока 23 и рычага 19, контактирует торцевой частью 8 с седлом 11 корпуса 5 и перекрывает проходное сечение выходного отверстия 6. Крайняя часть опорной втулки 16 зафиксирована разрезным фланцем 26 и уплотнена герметично резиновым кольцом 33.

Распределитель работает следующим образом: во входное отверстие 2 подается рабочая жидкость, которая, омывая левую 7 и правую 8 части клапана-золотника, через проходное сечение 18 поступает в выходное отверстие 6. Так как внутренние диаметры левой 7 и правой 8 частей клапана-золотника одинаковы и торцевые площади омываются рабочей жидкостью одинаково, то запорный орган полностью разгружен от гидравлических сил и удерживается в крайне правом положении за счет усилия пружины 24, передаваемого через рычаг 19 на шток 23.

При изменении направления рабочей жидкости, фиг. 2, в выходное отверстие 4 перемещается рычаг 19, к которому прикладывается усилие только на преодоление сил сопротивления уплотнительных колец 13 и 17 и усилие пружины 24, которое возникает за счет кривизны траектории конца пружины. Рычаг 19 через шток 23 перемещает правую часть 8 клапана-золотника до соприкосновения с седлом 11, тем самым перекрывая проходное сечение 18, а левая часть 7 одновременно открывает проходное отверстие 14 для попадания рабочей жидкости в выходное отверстие 4.

Важной особенностью распределителя, конструкция которого позволяет уравновесить запорный элемент - клапан-золотник, является:

- независимость мощности, необходимой для закрытия одного проходного сечения и открытия другого с заданной скоростью независимо от давления рабочей среды;

- при подаче рабочих сред в обратном порядке, т.е. в выходные отверстия клапана-распределителя подавать рабочее тело (жидкость, газ) , во входном получается смеси жидкостей или газа, устройство будет работать как смеситель при любых давлениях подаваемых жидкостей или газов;

- герметичность конструкции;

- компактность и надежность конструкции.

В связи с этим распределитель обеспечивает стабильность рабочих характеристик при любом давлении среды, что является важным преимуществом заявленного распределителя перед другими известными конструкциями.

Важной особенностью клапана, конструкция которого позволяет уравновесить запорный элемент, является независимость мощности, необходимой для закрытия клапана с заданной скоростью от давления рабочей среды. В связи с этим клапан обеспечивает стабильность рабочих характеристик при любом давлении среды, что является важным преимуществом заявленного клапана перед клапанами известных конструкций.

Изобретение предназначено для управления потоком рабочей среды в трубопроводных магистралях, преимущественно высокого давления при больших расходах рабочей среды. Клапан-распределитель содержит корпус с входным и выходным отверстиями, сёдла клапана, запорный элемент. Последний выполнен в виде полой цилиндрической втулки и соединен с приводом и уплотнительными узлами. Запорный элемент снабжен выступами. Выступы выполнены на его наружной поверхности в плоскости поперечного сечения и контактируют с внутренней поверхностью корпуса. Торцевые поверхности запорного элемента и сёдел клапана выполнены в виде обратных усеченных конусов. Изобретение позволяет снизить силы, необходимые для перемещения запорного элемента, с одновременным повышением устойчивости работы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Клапан-распределитель, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, сёдла клапана, запорный элемент, выполненный в виде полой цилиндрической втулки и соединенный с приводом, и уплотнительные узлы, отличающийся тем, что запорный элемент снабжен выступами, выполненными на его наружной поверхности в плоскости поперечного сечения и контактирующими с внутренней поверхностью корпуса, торцевые поверхности запорного элемента и седел клапана выполнены в виде обратных усеченных конусов.2. Клапан-распределитель по п.1, отличающийся тем, что выступы расположены по торцам запорного элемента.3. Клапан-распределитель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен опорными втулками, размещенными внутри полой цилиндрической втулки с обеих ее сторон.4. Клапан-распределитель по п.3, отличающийся тем, что опорные втулки снабжены уплотнителями по их внешним сторонам.5. Клапан-распределитель по п.3 или 4, отличающийся тем, что опорные втулки жестко закреплены относительно корпуса.