ЗАТВОР БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ Российский патент 2005 года по МПК F16J13/00 F16J13/02 

Изобретение относится к конструкциям быстродействующих затворов сосудов давления и может быть использовано в различных отраслях промышленности, производящих и эксплуатирующих емкости и аппараты, работающие под давлением.

Преимущественная область использования изобретения - герметичный быстродействующий затвор фильтров для очистки жидкостей от грязи и посторонних механических примесей.

Известен затвор, включающий откидные болты с гайками, закрепленные на осях по периметру корпуса, и крышку с радиальными пазами, при этом откидные болты снабжены пружинами с выступами, а крышка имеет кольцевой выступ, взаимодействующий с выступами болтов (А.с. СССР №583343, МКИ F 16 J 13/06, 05.12. 1977 г.).

Недостатком аналога является то, что герметичность обеспечивается затяжкой с усилием каждой гайки откидного болта, что требует большой трудоемкости снятия крышки при выполнении профилактических работ по очистке фильтрующего элемента фильтра.

Известен байонетный затвор, содержащий фланцы с зубьями, имеющими наклонные рабочие поверхности, при этом зубья фланцев выполнены съемными, а сопрягаемые поверхности зубьев и фланцев расположены перпендикулярно к продольной оси фланцев (А.с. СССР №655853, МКИ F 16 J 13/02, В 01 J 3/02, 05.04. 1979 г.).

Недостатком аналога является неудовлетворительная герметичность затвора.

Известен также затвор сосудов высокого давления, содержащий крышку, установленную с зазором в корпусе, термоэлементы и каналы охлаждения, при этом в зазоре между крышкой и корпусом одно над другим установлены кольца, выполненные из материалов с разными коэффициентами линейного расширения, а поверхность сопряжения колец с наружной поверхностью крышки имеет малую обратную конусность (А.с. СССР №687284, МКИ F 16 J 13/02, 25.09.1979).

Недостатком аналога является неудовлетворительная герметичность затвора из-за неравномерности прижатия соединяемых фланцев, сложность изготовления и эксплуатации при низких температурах окружающей среды.

Известен также быстродействующий затвор для сосудов, выполненный в виде разрезного упругого кольца, установленного в кольцевых пазах на смежных поверхностях фланцев крышки и корпуса, один из которых охватывает другой, и запирающего механизма, причем кольцевые пазы во фланцах смещены один относительно другого в осевом направлении, а одна из боковых поверхностей кольцевого паза охватываемого фланца и контактирующая с ней торцовая поверхность разрезного упругого кольца выполнены коническими (А.с. СССР №696227, МКИ F 16 J 13/12, 05.07.1979 г.).

Недостатком аналога является неудовлетворительная герметичность затвора, образующаяся за счет многократного сжимания и разжимания упругого кольца при установке его в кольцевые пазы.

Известен герметичный затвор для сосудов, работающих под давлением, состоящий из охватывающего уплотнительный разъем крышки и корпуса сосуда и подвижного в его плоскости запорного механизма и поршневого устройства затяжки, при этом запорный механизм выполнен в виде расположенных по периметру сосуда скоб с осевыми проточками под поршни, устройства затяжки, разделяющие проточку на поршневую и штоковую полости, причем штоки поршней закреплены на кронштейнах, установленных на наружной поверхности корпуса сосуда (А.с. СССР №815380, МКИ F 16 J 13/00, 23.03.1981 г.).

Недостатком аналога является неудовлетворительная герметичность затвора, возникающая из-за сложности эксплуатации, а также сложность изготовления затвора и наличие отдельного гидропривода.

Наиболее близким к изобретению является затвор быстродействующий, содержащий крышку с кронштейнами, установленную на резьбе в корпусе, уплотнительный элемент, соединенные подвижно две тяги, одна из которых шарнирно соединена с кольцевым захватом, расположенным на кронштейне, выполненном на корпусе, с возможностью вращения вокруг своей оси (см. патент РФ №32225, 10.09.03 г.). Недостатком прототипа является невысокая герметичность затвора.

Задачей изобретения является повышение герметичности затвора путем увеличения силы сжатия, действующей на уплотнительный элемент.

Поставленная задача достигается тем, что в затвор быстродействующий, содержащий крышку с кронштейнами, установленную на резьбе в корпусе, уплотнительный элемент, соединенные подвижно две тяги, одна из которых шарнирно соединена с кольцевым захватом, расположенным на кронштейне, выполненном на корпусе, с возможностью вращения вокруг своей оси, в отличие от прототипа, введено запорное устройство, состоящее из ушка, шарнирно соединенного со второй тягой, и двух планок, на одном конце которых закреплены пальцы, размещенные подвижно во втулках кронштейнов, закрепленных на диаметрально противоположных сторонах резьбовой части крышки, другие концы планок соединены неподвижно с ушком, причем угол между осью двух тяг и прямой, проходящей через ось шарнирного соединения ушка со второй тягой, и продольной осью крышки составляет не менее 45° .

Кроме того, в затворе быстродействующем резьбовая часть крышки может быть выполнена в виде накидной гайки, обеспечивающей герметичность соединения крышки с корпусом.

Кроме того, в затворе быстродействующем резьба выполнена упорной или упорно усиленной. Резьба упорная усиленная применяется согласно ГОСТ 13535-68, а упорная - ГОСТ 10177-62.

Основное назначение запорного устройства - перераспределение сил, вызывающих положительный или отрицательный эффекты. Под силами, вызывающими положительный эффект, приняты силы, обуславливающие появление крутящего момента (момента затяжки резьбового соединения), действующего на крышку, относительно оси резьбовой поверхности последней. Именно этот крутящий момент вызывает приращение осевой силы, сжимающей прокладку, и в конечном итоге - повышает герметичность затвора.

Под силами, вызывающими отрицательный эффект, приняты силы, обуславливающие появление больших нагрузок, действующих на элементы запорного устройства, и не влияющие на величину момента затяжки резьбового соединения или образующие появление крутящего момента в притивоположном направлении (против часовой стрелки в момент затяжки резьбового соединения).

Поэтому, не случайно одна из планок имеет ребро жесткости, повышающее жесткость планки и ее устойчивость в момент затяжки резьбового соединения.

С целью минимизации сил, вызывающих отрицательный эффект, и увеличения действия сил, вызывающих положительный эффект, в запорном устройстве пальцы равноудалены от шарнирного соединения второй тяги с ушком, к которому прикладывается сила, действующая со стороны второй тяги, и эти пальцы закреплены на концах планок. При этом пальцы свободно входят во втулки кронштейнов, образуя подвижное соединение. Втулки крепятся на кронштейнах, закрепленных на резьбовой части крышки с ее внешней стороны, и располагаются диаметрально противоположно.

Такая конструкция запорного устройства позволяет перераспределить силы, действующие на его элементы для получения максимального положительного эффекта. При этом большое значение на положительный эффект оказывает угол α между осью двух тяг и прямой, проходящей через ось шарнирного соединения ушка со второй тягой, и продольной осью крышки.

Рассмотрим последовательно три положения запорного устройства с точки зрения образования положительного эффекта: первоначальное, где α =45° , промежуточное, где α =90° , и конечное, где α =135° (см. Фиг.1).

За систему отсчета примем оси координат:

Ось Х - прямая, проходящая через продольную ось крышки и центр шарнирного соединения ушка со второй тягой. Направлена ось Х от шарнира в сторону продольной оси крышки.

Ось Y - проходит через центр шарнирного соединения ушка со второй тягой перпендикулярно оси Х и направлена в сторону силы, действующей на ушко со стороны второй тяги.

Будем считать, что в первоначальный момент крышка свободно (без усилия) заворачивается до контакта с уплотнительным элементом. Это положение соответствует углу α , равному 45° (закрепили кронштейн со втулками диаметрально противоположно на поверхности крышки). При действии силы Р на ушко запорного устройства происходит ее разложение на две составляющие: Р_х=Р_у=Р/2.

Составляющая Р_у вызывает положительный эффект, т.к. крутящий момент:

М_кр=Р_у ·_{L, где}

L - расстояние от центра шарнира до оси вращения резьбовой пары.

Крутящий момент М_кр от действия силы Р_у является моментом затяжки резьбового соединения и вызывает приращение осевой силы, сжимающей уплотнительный элемент.

Сила Р_х вызывает отрицательный эффект, т.к. вызывает напряжение сжатия в элементах запорного устройства.

Важно отметить, что сила Р_х, в отличие от прототипа, не влияет на силы трения, возникающие в резьбе при затяжке резьбовой пары, так как она уравновешивается силами, сжимающими планки, которые направлены в противоположные стороны и взаимно уравновешивают друг друга.

При этом, как будет показано ниже, эта сила непрерывно уменьшается до нулевого значения при движении запорного устройства и далее, изменяя свое направление, плавно нарастает.

В случае, если α <45° , Р_у<Р_х и отрицательный фактор начинает превалировать над положительным. Это приводит к возрастанию напряжений в элементах запорного устройства, к увеличению его металлоемкости.

Под действием силы Р_у возникает крутящий момент затяжки резьбового соединения, который вращает крышку, а запорное устройство изменяет свое положение. При этом сила Р_х уменьшается, а сила Р_у увеличивается, и положительный эффект возрастает.

Если угол α =90° , то ось действия силы Р совпадает с осью Y. В этом положении положительный эффект от действия силы Р наибольший. М_кр=Р· L.

При дальнейшем перемещении запорного устройства вместе с крышкой 135° >α >90° сила Р разлагается на силу Р_у и силу (-Р_х). При этом сила Р_у вызывает положительный эффект, а сила (-Р_х) - отрицательный, а это вызывает напряжение растяжения в элементах запорного устройства. Если α >135° , отрицательный эффект превалирует над положительным. Однако и в этом случае сила (-Р_х) не влияет на силы трения, возникающие в резьбовой паре при ее затяжке, так как уравновешивается силами, действующими на планки.

Таким образом, положительный эффект преобладает над отрицательным в положениях запорного устройства, когда 135° >α >45° , а сила - Р_х не влияет на силы трения, действующие в резьбе резьбовой пары при ее затяжке.

Поскольку изобретение относится к конструкциям быстродействующих затворов сосудов высокого давления, то на резьбовую поверхность крышки действуют большие односторонне направленные усилия. Использование крепежных резьб для закрепления крышки на корпусе оказалось нецелесообразным, поскольку они имеют низкий кпд. Крепежные резьбы надежны против самоотвинчивания, но осевую дополнительную силу, сжимающую уплотнительный элемент, создать, используя их, не представляется возможным, из-за большого коэффициента трения. Поэтому в изобретении предлагается использовать кинематические (ходовые) резьбы. Наиболее полно требованию конструкции затворов сосудов давления отвечает резьба упорная, которая является грузовой резьбой и применяется в винтовых механизмах с большим односторонне направленным усилием. Эти резьбы отличает повышенный кпд даже по сравнению с трапецеидальными.

Резьба упорная усиленная 45° (ГОСТ 13535-68) диаметром от 80 до 2000 мм отличается от стандартной упорной резьбы (ГОСТ 10177-62) увеличенным до 45° углом наклона профиля и несколько меньшей рабочей высотой профиля и имеет повышенную прочность.

Таким образом, с помощью запорного устройства и использования резьбы упорной усиленной с высоким кпд удалось обеспечить высокую герметичность затвора путем значительного приращения осевой силы. При низком коэффициенте трения в резьбовой паре самопроизвольное отвинчивание исключается и за счет использования запорного устройства, который удерживает резьбу в напряженном состоянии. Необходимо отметить, что использование запорного устройства также возможно, когда в состав крышки входит накидная гайка. В этом случае крышка неподвижна и повреждение уплотнительного элемента маловероятно. Накидная гайка имеет более высокое значение крутящего момента затяжки резьбового соединения, т.к. к силам трения в резьбе резьбовой пары прибавляются силы трения по заплечикам накидной гайки. Однако запорное устройство за счет перераспределения сил создает крутящий момент достаточный, чтобы обеспечить высокогерметичное соединение крышки с корпусом сосуда высокого давления.

Таким образом, использование указанной совокупности признаков позволит обеспечить надежный герметичный быстродействующий затвор сосудов высокого давления.

Существо изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема расположения силы Р, действующей со стороны второй тяги на ушко запорного устройства, в зависимости от его положения.

На фиг.2 изображен общий вид затвора быстродействующего.

На фиг.3 изображена схема сил, действующих на резьбовую часть крышки согласно техническому решению прототипа.

Затвор быстродействующий содержит крышку 1 с кронштейнами 2, установленную на резьбе в корпусе 3, уплотнительный элемент 4, соединенные подвижно две тяги 5, 6. Тяга 5 шарнирно соединена с кольцевым захватом 7, расположенным на кронштейне 8, жестко соединенном с корпусом 3. Кольцевой захват 7 имеет возможность вращаться вокруг оси. Запорное устройство состоит из ушка 9 шарнирного соединения с тягой 6 и жестко скрепленных с ним двух планок 10, на противоположных концах которых закреплены пальцы 11, свободно входящие во втулки 12, закрепленные на кронштейнах 2, расположенных диаметрально противоположно друг другу.

Затвор быстродействующий работает следующим образом. Устанавливают уплотнительный элемент 4 в паз корпуса 3. Устанавливает крышку 1 на резьбовую часть корпуса 3, предварительно установив на кронштейн 8 кольцевой захват 7 с закрепленными на нем шарнирно двумя тягами. Далее свободно заворачиваем по резьбе крышку 1 до упора. Уплотняемая поверхность крышки 1 соприкоснулась с уплотнительным элементом 4. Затем устанавливаем запорное устройство. В этом положении тяги 5, 6 должны иметь максимальный ход перемещения. Далее, соединив шарнирно ушко 9 запорного устройства со второй тягой 6, выставляем положение угла α 45° и жестко закрепляем кронштейны 2 вместе со втулками 12 на внешней стороне крышки 1, перемещая тяги 5, 6 навстречу друг другу, создаем усилие, которое от второй тяги 6 передается на ушко 9. Эта сила вызывает момент затяжки резьбового соединения, который перемещает крышку 1 по резьбе корпуса 3. Важно отметить, что в отличие от прототипа в этой схеме силовое замыкание гайка - корпус 3 отсутствует. Силы, не вызывающие крутящего момента, замыкаются на крышке 1, растягивая или сжимая ее резьбовую часть.

Силовая схема затяжки резьбовой пары прототипа изображена на фиг.3. Она отличается тем, что сила Р передается от тяги, шарнирно соединенной с кронштейном, непосредственно на крышке, так как кронштейн жестко связан с последней. В результате сила P_х стремится переместить крышку относительно корпуса, осуществляя тем самым силовые замыкания крышка-корпус.

При этом чем больше сила Р, тем больше сила P_х, тем большая нагрузка приходится на резьбовую пару и сила трения в резьбе резко возрастает. Повернуть крышку становится невозможным, а соответственно не представляется возможным создать достаточно большую осевую силу, сжимающую уплотнительный элемент, и достичь высокой герметичности запора.

Преимуществом заявленного устройства, по сравнению с известными, является обеспечение более высокого значения силы, сжимающей уплотнительный элемент за счет отсутствия силового замыкания в резьбовой паре, и как следствие - высокая герметичность и надежность работы затвора.

Затвор предназначен для емкостей и аппаратов, работающих под давлением, и содержит крышку с кронштейнами, установленную на резьбе в корпусе, уплотнительный элемент, соединенные подвижно две тяги. Одна из тяг шарнирно соединена с кольцевым захватом, расположенным на кронштейне, выполненном на корпусе, с возможностью вращения вокруг своей оси. Также введено запорное устройство, состоящее из ушка, шарнирно соединенного со второй тягой, и двух планок. На одном конце планок закреплены пальцы, размещенные подвижно во втулках кронштейнов. Кронштейны закреплены на диаметрально противоположных сторонах резьбовой части крышки. Другие концы планок соединены неподвижно с ушком. Угол между осью двух тяг и прямой, проходящей через ось шарнирного соединения ушка со второй тягой, и продольной осью крышки составляет не менее 45°. Технический результат - повышение герметичности затвора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Затвор быстродействующий, содержащий крышку с кронштейнами, установленную на резьбе в корпусе, уплотнительный элемент, соединенные подвижно две тяги, одна из которых шарнирно соединена с кольцевым захватом, расположенным на кронштейне, выполненном на корпусе, с возможностью вращения вокруг своей оси, отличающийся тем, что введено запорное устройство, состоящее из ушка, шарнирно соединенного со второй тягой, и двух планок, на одном конце которых закреплены пальцы, размещенные подвижно во втулках кронштейнов, закрепленных на диаметрально противоположных сторонах резьбовой части крышки, другие концы планок соединены неподвижно с ушком, причем угол между осью двух тяг и прямой, проходящей через ось шарнирного соединения ушка со второй тягой и продольную ось крышки, составляет не менее 45°.2. Затвор быстродействующий по п.1, отличающийся тем, что резьбовая часть крышки выполнена в виде накидной гайки.3. Затвор быстродействующий по п.1, отличающийся тем, что резьба выполнена упорной.