ЗАТВОР ПОВЫШЕННОЙ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И ВИБРАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ДЛЯ СОСУДОВ И АППАРАТОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ВНУТРЕННИМ ИЛИ НАРУЖНЫМ ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК F16J13/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к герметичным затворам для сосудов и аппаратов, работающих под внутренним или наружным давлением.

Известны герметичные затворы, работающие под давлением и вакуумом.

Аналогом является изобретение А.С. СССР №454383 - «Герметичный затвор для сосудов, работающих под давлением». Признаками аналога, совпадающими с заявляемым изобретением являются:

а) наличие отбортовок на крышке и корпусе затвора, направленных в противоположные стороны;

б) наличие эластичных уплотнителей, уложенных в кольцевые канавки охватывающего разрезного упругого кольца;

в) наличие устройства для затяжки кольца с упруго распирающим и стягивающим элементами.

Другим аналогом являются затворы сосудов и аппаратов, работающих как под давлением, так и под вакуумом, конструкции которых рассмотрены на с.15-17 монографии «Байонетные затворы аппаратов», М., Машиностроение, 1980, авторы - В.М.Макаров, В.И.Невесенко, А.В.Плейкин.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к изобретению является изобретение А.С. СССР №454383.

Использованию затвора по А.С. СССР №454383 при наружном давлении препятствует отсутствие уплотнителя между отбортовками фланца и корпуса. При подаче давления с наружной стороны сосуда (или вакууме внутри сосуда) крышка сосуда или аппарата под действием внешнего давления начнет двигаться в сторону корпуса. При этом кромка отбортовки крышки отойдет от эластичного уплотнителя, находящегося в кольцевой канавке разрезного упругого кольца. Внешняя среда через образовавшийся зазор между кромкой отбортовки и эластичным уплотнителем, а также через зазор между отбортовками крышки и корпуса начнет поступать в сосуд и произойдет его разгерметизация.

Использование затвора по А.С. СССР №454383 для агрессивных, ядовитых или нагретых до высокой температуры газов препятствует то, что при начале подачи давления в сосуд может происходить выход среды через затвор до тех пор пока она не заполнит весь объем и не прижмет крышку к уплотнителю.

Применению затвора по А.С. СССР №454383 при сильной вибрации (например в качестве ресивера на компрессорной установке) препятствует то, что крышка сосуда не зафиксирована относительно корпуса, поэтому крышка и корпус колеблются с разной частотой (крышка легче) и происходит сдвиг крышки относительно корпуса по уплотнителю, в результате чего уплотнитель изнашивается и ухудшается герметичность.

Признаками второго аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения являются:

- возможность работы аппарата под вакуумом;

- наличие выступов (зубьев) в крышке и фланце корпуса (с.12, 18), равномерно расположенных по окружности (в заявляемом изобретении - захватов).

В байонетных затворах, указанных во втором аналоге имеются недостатки, препятствующие получению требуемого технического результата:

- сложность и громоздкость стационарных устройств для поджима уплотнителя (с.67-74);

- возможность аварии (отказа) устройств для поджима уплотнителя, влекущая за собой прорыв ядовитых или агрессивных газов (с.67-74);

- возможность выдавливания уплотнителя в монтажный зазор между фланцем крышки и корпуса при высоких давлениях в аппарате (с.62, 78);

- неравномерность прилегания зубьев крышки к зубьям фланца корпуса (при числе зубьев больше трех);

- невозможность замены зубьев фланца крышки и корпуса при их износе или появлении внутренних или внешних дефектов, так как они (зубья) составляют единое целое с фланцами крышки и корпуса (нужно полностью заменять фланцы);

- нет специальных устройств, уменьшающих вибрацию затвора;

- возможность вырыва уплотнителя из паза при открывании крышки из-за прикипания и присасывания уплотнителя к уплотняемой поверхности крышки (с.67);

- утяжеление конструкции затвора для больших литых фланцев крышек и корпуса ввиду увеличения коэффициента запаса прочности по пределу прочности до 6,3 (с.92) из-за возможности наличия внутренних дефектов литья;

- ограничение применимости при больших давлениях до 10 МПа (с.62).

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение по сравнению с первым аналогом, являются:

- способность затвора работать при наружном давлении или вакууме;

- способность затвора сохранять повышенную герметичность при работе с агрессивными, ядовитыми и нагретыми до высокой температуры газами;

- способность затвора работать при сильной вибрации.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение по сравнению со вторым аналогом, являются:

- устранение сложных и громоздких стационарных устройств для поджима уплотнителя;

- устранение возможности выдавливания уплотнителя в монтажный зазор между фланцами крышки и корпуса при высоких давлениях в аппарате;

- устранение необходимости замены зубьев фланцев крышки и корпуса при их износе или появлении внутренних дефектов, путем полной замены фланцев (фланцы с зубьями представляют собой во втором аналоге одну отливку или поковку);

- введение специальных устройств для уменьшения вибрации затвора;

- устранение возможности вырыва уплотнителя из паза при открывании крышки;

- повышение герметичности затвора при работе с агрессивными, ядовитыми и нагретыми до высокой температуры газами;

- облегчение конструкции затвора с применением штампованных и кованных силовых элементов, увеличивающих прочность и снижающих его вес.

Для выполнения поставленных задач на крышке и корпусе сосуда или аппарата выполнены отбортовки, направленные в противоположные стороны. Форма отбортовок выполнена по параболе или окружности. Уплотнитель х-образной формы выполнен эластичным с лепестками, расположенными на отбортовках по всей окружности уплотнителя; с выпуклыми уплотнительными поясками по центру симметрично вертикальной оси уплотнителя. Лепесток, расположенный на отбортовке корпуса, имеет сплошной замковый паз, в который входит кромка отбортовки корпуса. В отбортовках крышки и корпуса уложены металлические нажимные и эластичные кольца, при этом нажимные кольца крепятся к эластичному кольцу с помощью винтов, ввертываемых в резьбовые отверстия, выполненные в металлическом нажимном кольце. Нажимное и эластичное кольца в отбортовке крышки удерживаются в осевом направлении и центрируются стопорами из электровиброизоляционного материала, закрепленными на внутренней поверхности кромки отбортовки крышки. Нажимное и эластичное кольца в отбортовке корпуса центрируются лепестком замкового паза уплотнителя и удерживаются в осевом направлении нажимными штырями. Затвор имеет откидные расположенные равномерно по окружности захваты, имеющие нажимную носовую часть, хвостовую с роликом и спинку захвата, выполненную в виде наклонной плоскости. Спинка захвата, прилегающая к наружному силовому кольцу, выполнена в продольном сечении по логарифмической спирали. На нажимной штырь надеты металлические регулировочные шайбы. Кронштейны для крепления захватов выполнены плавающими в направляющих на корпусе и имеют нажимную часть. Затвор имеет наружное силовое кольцо с внутренним конусом и копирами, закрепленными на кольце. Угол наклона образующей конуса к горизонтальной оси сосуда составляет от 3 до 6 градусов. В открытом положении затвора наружное силовое кольцо консольно подвешено с помощью роликов на направляющих, жестко прикрепленных к нему и вставленных в обоймы, закрепленные на пружинной подвеске относительно корпуса сосуда. В закрытом положении затвора наружное силовое кольцо центрируется по наклонным спинкам откидных захватов и прижато к ним. В трех точках, расположенных равномерно по окружности, на кольце шарнирно закреплены тяги привода кольца. В открытом положении затвора наружное силовое кольцо с направляющими отводится тягами назад. Напротив каждого захвата на наружном силовом кольце крепятся копиры, служащие для набегания на ролик захвата. По внешнему периметру отбортовок расположено хомутное стягивающее устройство, которое при затяжке равномерно по всему периметру прижимает лепестки уплотнителя к отбортовкам. Хомутное стягивающее устройство представляет собой незамкнутое охватывающее металлическое кольцо с затяжным устройством, состоящим из двух щек на концах кольца, между которыми расположены затяжной винт и эластичный стержень, расположенный на полочках, закрепленных на щеках и отстоящих от винта на некотором расстоянии. Поверхность эластичного стержня, прилегающая к лепесткам уплотнителя, выполнена седловидной, радиус кривизны поверхности в каждом поперечном сечении эластичного стержня имеет точку касания с лепестками, образуя вдоль седла линию касания, а при затянутом состоянии охватывающего кольца - узкую поверхность касания.

Охватывающее металлическое кольцо подвешено сверху на двух тросиках, перекинутых через блоки, установленные на кронштейнах, закрепленных на корпусе сосуда или аппарата.

На фиг.1 показан продольный разрез затвора в закрытом положении;

на фиг.2 - вид сверху на затвор в закрытом положении; на фиг.3 - продольный разрез затвора в открытом положении при отведенной крышке; на фиг.4 - разрез Б-Б в месте узла затяжки хомутного охватывающего устройства в закрытом положении затвора. На фиг.5 - поперечный разрез А-А по силовому кольцу, кронштейну и направляющим; на фиг.6 - схема расположения захватов и тяг привода по окружности сосуда или аппарата; на фиг.7 - вид спереди на затвор; на фиг.8 (разрез В-В) - подвеска силового кольца; на фиг.9 и верхней части фиг.10 - крепление хомутного стягивающего устройства к корпусу сосуда или аппарата; на фиг.10 и 11 - схема положения упругого стержня узла затяжки охватывающего кольца в открытом и закрытом положениях затвора; на фиг.12 (разрез Г-Г) показан нажимной штырь с надетыми на него регулировочными шайбами, а также вариант прижатия захвата наружным силовым кольцом при выполнении спинки захвата в виде логарифмической спирали (см. Справочник металлиста в пяти томах/Под редакцией к.т.н. С.А.Чернавского. М.: Машгиз, 1957, т.1, с.121):

r=r₁e^mω,

где m=ctgα>0, m=const - выбирается конструктивно, ω - угол поворота радиус-вектора, r₁ - радиус спирали при ω=0.

Изображенная на фиг.12 спираль имеет m=0,65; r₁=18 мм.

За начало координат принята ось X₁, повернутая против часовой стрелки на угол 60° от оси X. Профиль спирали захвата начинается с угла ω=0 на оси X₁ с координатой X₁=r₁=18 мм и заканчивается углом ω=120° и радиусом спирали r=70,0 мм. Промежуточные полярные координаты спирали, округленные до 1 мм, следующие: ω=30°, r=25 мм; ω=60°, r=35 мм; ω=90°, r=50 мм; ω=105°, r=60 мм. Далее идет сопряжение спирали с радиусом R=44 мм.

Точка касания спирали с внутренней образующей конуса наружного силового кольца при угле ω=60° обозначена буквой М. Угол а между направлением радиус-вектора ОМ и касательной в точке М равен 123°. Угол наклона образующей конуса силового кольца к оси Х равен 3°. На фиг.13 (разрез Д-Д) - крепление и фиксация металлических и эластичных колец в отбортовках. На фиг.14 показана верхняя ветвь отбортовки, выполненная по параболе у²=2рх (где р - параметр параболы) с приложенными к ней нормальными радиальными и горизонтальными усилиями, действующими со стороны зажимного кольца на отбортовки. Парабола построена по точкам (1, 2, 3, 4, 5), когда заданы вершина О, ось ОХ и одна точка С (точка 5) параболы (см. "Справочник металлиста", указанный выше, с.119). За заданную точку примем точку С, отстоящую от оси ОХ на расстоянии R, равном радиусу отбортовки, выполненной по постоянному радиусу, как показано на фигуре 15. На фиг.15 показана верхняя ветвь отбортовки, выполненная по окружности у²=R²-х² (где R- радиус отбортовки) с приложенными к ней нормальными, радиальными и горизонтальными усилиями, действующими со стороны охватывающего металлического кольца на отбортовки. Части отбортовки, расположенные ниже оси ОХ, в обоих рассмотренных случаях выполняются по постоянному радиусу R. На фиг.16 показан выносной элемент Е (фиг.1), на котором в увеличенном виде изображены эластичный уплотнитель 10 в состоянии, когда его лепестки прижаты эластичным стержнем 29 к отбортовкам крышки 9 и корпуса 6. На фиг.17 и 18 показаны начальные положения эластичного стержня 29 при нажатии на лепестки уплотнителя 10 для двух возможных вариантов их коробления.

Затвор состоит из откидных захватов 1 (фиг.1, 2, 3, 5, 6, 7, 12), расположенных равномерно по окружности и имеющих нажимную носовую часть и хвостовую с роликом 2. Каждый захват крепится на кронштейне 3 посредством оси 4, а кронштейны своим основанием крепятся в направляющих 5 (фиг.5), закрепленных болтами 40 на корпусе 6 сосуда или аппарата через промежуточную прокладку 41. Между отбортовками 7 и 8 (фиг.1) соответственно крышки 9 и корпуса 6 расположен эластичный уплотнитель 10 (фиг.1, 3, 12, 13, 16, 17, 18), х-образной формы в поперечном сечении с выпуклыми уплотнительными поясками по центру симметрично вертикальной оси сечения уплотнителя, с двумя сплошными лепестками, расположенными на отбортовках по всей окружности уплотнителя. Лепесток, расположенный на отбортовке корпуса, имеет сплошной замковый паз, в который входит кромка отбортовки для удержания уплотнителя на отбортовке. В отбортовках 7 и 8 уложены эластичные кольца 11 и нажимные кольца 12 (фиг.1, 12, 13), которые удерживаются и фиксируются в отбортовках крышки стопорами 13 (фиг.13), расположенными равномерно по окружности кромки отбортовки. Стопоры крепятся винтами 14 к внутренней поверхности кромки отбортовки. В стопорах выполнена выточка с двумя поверхностями, расположенными через 90°. Одна из них представляет собой поверхность с номинальным радиусом, равным наружному радиусу нажимного кольца, другая - плоскую поверхность. Радиусной поверхностью стопоры центрируют нажимное кольцо 12 в отбортовке, ограничивая его радиальное перемещение. Плоская поверхность выточки стопоров ограничивает осевое перемещение нажимного кольца 12. Для предотвращения передачи вибрации нажимного кольца 12 на отбортовку крышки, а также в целях электроизоляции стопоры 13 изготовляются из электровиброизоляционного материала. В отбортовке корпуса нажимное кольцо 12 фиксируется в радиальном направлении лепестком замкового паза уплотнителя 10, входящим внутрь отбортовки. В осевом направлении нажимное кольцо фиксируется нажимным штырем 18, на котором надеты регулировочные шайбы 19 (фиг.1, 12). Одним концом штырь 18 вставлен в нижнюю часть кронштейна 3, другой свободно проходит через нажимное кольцо 12 и свободно входит в отверстие в эластичном кольце 11.

Нажимное металлическое кольцо 12 (фиг.13) крепится к эластичному кольцу 11 с помощью винтов 16, ввертываемых в резьбовое отверстие, выполненное в металлическом нажимном кольце 12. Между эластичным кольцом и головкой винта 16 поставлена шайба 17. Сзади кронштейнов 3 на корпусе сосуда установлены ограничительные винты 31 (фиг.1) для регулировки хода кронштейна.

Наружное силовое кольцо 20 (фиг.1, 7, 8, 12) имеет внутренний конус для набегания на захваты. Угол наклона образующей конуса к горизонтальной оси сосуда или аппарата принимается от 3 до 6 градусов из условия самоторможения. В открытом положении затвора наружное силовое кольцо 20 консольно подвешено с помощью роликов 21 (фиг.7, 8) на направляющих 22, жестко прикрепленных к нему и вставленных в обоймы 23, закрепленные на пружинной подвеске 39 относительно корпуса сосуда для увеличения степени свободы. В закрытом положении затвора внешнее силовое кольцо центрируется по наклонным спинкам откидных захватов 1 и прижато к ним. В трех точках, расположенных равномерно по окружности, на кольце шарнирно закреплены тяги 24 (фиг.1, 2, 3, 7) привода кольца. В открытом положении затвора наружное силовое кольцо с направляющими отводится тягами 24 назад (это положение показано штрихпунктирной линией с двумя точками на фиг.8). Напротив каждого захвата на наружном силовом кольце крепятся копиры 25 (фиг.1, 2), служащие для набегания на ролик 2 захвата 1. Хомутное стягивающее устройство представляет собой незамкнутое охватывающее металлическое кольцо 26 (фиг.1, 9, 10, 11, 12, 13) с затяжным устройством, состоящим из двух щек 27 (фиг.4, 10, 11) на концах хомута, между которыми расположены затяжной винт 28 с посадочным квадратом к пневмо- или гидродвигателю и эластичный стержень 29 (фиг.1, 4, 10, 11, 16, 17, 18), расположенный на полочках 30, закрепленных на щеках и отстоящих от винта на некотором расстоянии. Поверхность эластичного стержня 29, прилегающая к лепесткам прокладки 10, выполнена седловидной. Радиус кривизны поверхности в каждом поперечном сечении эластичного стержня 29 имеет точку касания с лепестками, образуя вдоль седла линию касания, а при затянутом состоянии охватывающего кольца узкую поверхность касания. Охватывающее металлическое кольцо 26 подвешено сверху на двух тросиках 32 (фиг.9, 10, 11), перекинутых через блоки 33, установленные на кронштейнах 34, закрепленных на корпусе сосуда или аппарата. Тросик прикрепляется к резьбовой тяге 35, проходящей через отверстие в кронштейне 34, которая закрепляется на задней стороне кронштейна посредством гайки 36 с шайбой 37, опертой на пружину 38. При открытом затворе пружины компенсируют вес охватывающего металлического кольца с затяжным устройством. С целью избежания перекоса охватывающего металлического кольца 26 координата подвески С (фиг.10) каждого полукольца равна координате центра тяжести системы полукольцо-половина затяжного устройства.

При закрывании затвора крышка 9 (фиг.1) своей отбортовкой 7 подводится вплотную к эластичному уплотнителю 10, после чего начинается движение наружного силового кольца 20, которое своим внутренним конусом надвигается на спинку захватов 1 (фиг.1, 2, 3, 5, 6, 7, 12), поворачивая их вокруг осей 4. При набегании внутреннего конуса наружного силового кольца на спинку захвата в случае исполнения ее в виде наклонной плоскости возможны два варианта:

- усилие передается на спинку в виде сосредоточенной силы на конец наклонной плоскости вблизи перехода в носовую часть захвата;

- усилие передается на спинку как равномерно распределенная нагрузка на всю длину спинки.

Оба случая могут быть осуществлены и применены для создания требуемых давлений герметичности, передаваемых отбортовками 7 и 8 (фиг.1,12,13) на поверхности выпуклых уплотнительных поясков уплотнителя 10 путем подбора регулировочных шайб 19 (фиг.1, 12).

Повышенная герметичность данного затвора по сравнению с первым аналогом заключается в том, что усилие для создания герметичности затвора не зависит напрямую от давления в сосуде или аппарате. То есть к моменту подачи давления в сосуд или аппарат затвор уже герметичен и нет возможности утечки среды в момент подачи давления в сосуд или аппарат. При этом усилие прижатия уплотнителя 10 может быть уже доведено до своего проектного значения.

Повышенная герметичность данного затвора по сравнению с другим, упомянутым выше аналогом заключается в том, что при высоких давлениях в сосуде или аппарате усилие для создания герметичности может быть создано как угодно большим и практически определяется контактной прочностью уплотнителя 10 , в то время как в байонетных затворах, описанных в монографии В.М. Макарова и др., конструкция уплотнения рассчитана только до 10 МПа (с.62). Большие усилия прижатия уплотнителя 10 могут быть получены применением гидроцилиндров, соединенных с тягами 24 (фиг.1, 2, 3, 7).

Повышенная герметичность данного затвора по сравнению с аналогами в условиях вибрации достигается применением охватывающего металлического кольца 26 (фиг.1, 9, 10, 11, 12, 13), сжимающего лепестки уплотнителя 10, а также герметизацией места концов металлического кольца 26 эластичным стержнем 29 (фиг.1, 4, 10, 11, 16, 17, 18), который сам является уплотнительным элементом, местом стыка охватывающего металлического кольца (подробное описание работы смотри на листах 13-18).

При выполнении спинки захвата по логарифмической спирали (фиг.12) ввиду постоянства угла между направлением радиус-вектора спирали и касательной в точке контакта внутреннего конуса силового кольца и спинки захвата происходит относительное перекатывание последних без скольжения, исключающее силу трения скольжения, противодействующую повороту захвата на активном участке прижатия крышки.

При повороте захваты 1 своей носовой частью нажимают на нажимное кольцо 12, которое в свою очередь нажимает на эластичное кольцо 11, передавая усилие нажатия на отбортовку 7 и эластичный уплотнитель 10.

При этом носовая часть захвата 1 скользит по нажимному кольцу 12 в радиальном направлении вниз, уменьшая плечо действия силы приложенной к отбортовке крышки.

Усилие, передаваемое наружным силовым кольцом 20 на захват 1, через ось 4 (фиг.1) передается также на кронштейн 3, который через нажимной штырь 18 (фиг.12) и регулировочные шайбы 19 надавливает на нажимное кольцо 12 и эластичное кольцо 11 в отбортовке 8 корпуса и на саму отбортовку. Поскольку отбортовка 8 соединена неподвижно с корпусом 6, движение кронштейна 3 прекращается, а движение отбортовки 7 крышки продолжается до тех пор, пока уплотнитель 10 не зажмет между отбортовками 7 и 8. Усилие прижатия уплотнителя к отбортовкам крышки и корпуса, а следовательно герметичность затвора, зависит от усилия, приложенного к наружному силовому кольцу через тяги 24 (фиг.1, 6) силового привода. В зависимости от давления среды в сосуде или аппарате или наружного давления усилия, прикладываемые к тягам, могут быть различными и обеспечиваются регулирующими устройствами привода.

При действии вибрации со стороны внутренней или внешней среды усилия, передаваемые на крышку и корпус, передаются на отбортовки 7 и 8. Поскольку стенки отбортовок зажаты с двух сторон эластичными элементами, а между ними также установлен упругий элемент - уплотнитель, то при вибрации и ударе они резко снижают передачу динамического воздействия на элементы затвора: крышку 9, захваты 1, кронштейны 3, наружное силовое кольцо 20, не допуская их относительного смещения в продольном направлении и ослабления герметичности.

Охватывающее металлическое кольцо 26 (фиг.1, 9, 10, 11, 12, 13) препятствует смещению крышки 9 относительно корпуса 6 в радиальном направлении при вибрации, противодействует выдавливанию уплотнителя 10 из сосуда или аппарата при больших давлениях, усиливает герметичность затвора за счет прижатия лепестков уплотнителя 10 к отбортовкам 7 и 8 в случае аварийного прорыва внутренней среды при повреждении уплотнителя из-за внутреннего дефекта уплотнителя или его разъедания агрессивной средой в месте основного зажатия. Улучшенный эффект герметизации упругим охватывающим кольцом 26 достигается тем, что:

- во-первых, находясь в напряженном состоянии чистого изгиба от пары сил затяжного устройства и напряженном состоянии продольного растяжения от радиальных сил реакции со стороны упругих лепестков уплотнителя, упругое охватывающее кольцо в процессе затяжки все время остается концентричным с отбортовками;

- во-вторых, при изгибе тонкостенных профилей с криволинейной осью благодаря изменению формы поперечного сечения профиля жесткость его значительно понижается, что способствует затяжке. Это происходит за счет уменьшения момента инерции поперечного сечения кольца, которое стремится этим снизить потенциальную энергию упругой деформации уменьшением высоты сечения и раздвижкой его в ширину. При раздвижке профиля кольца в ширину скругленные края перевернутого корытообразного сечения надавливают на лепесток прокладки по нормали к его поверхности и одновременно сдвигают упругие волокна лепестка наружу в направлении краев отбортовки, растягивая их. Такое явление препятствует образованию гофра на лепестке, которое могло бы произойти, если бы сдвиг происходил к центру, к месту зажатия уплотнителя по центру;

- в-третьих, выполнение наружной части отбортовки крышки и корпуса по параболе (фиг.14) влечет за собой изменение направления нормальной силы N в процессе скольжения контакта охватывающего кольца с отбортовками. Нормальная сила N усиливает герметичность затвора в процессе вибрации. Усилие затяжки кольца Р_в представляет собой вертикальную проекцию нормальной силы N. Начало скольжения начинается из определенной точки на отбортовке и определенного усилия затяжки. Скольжение происходит благодаря горизонтальной проекции Р_г нормальной силы N. Эти силы связаны между собой соотношением:

При затяжке охватывающего кольца происходит равномерное увеличение прижатия концов охватывающего кольца к отбортовкам (свойство равномерной затяжки кривого бруса), то есть возрастание силы Р_в происходит по прямой от некоторой начальной величины затяжки

где k - коэффициент пропорциональности. Причем k можно подобрать таким образом, чтобы k=tgα. Это можно достичь подбором жесткости сечения охватывающего кольца.

Подставив (3) в (1), получим:

Это означает, что при увеличении силы затяжки, горизонтальная сила не увеличивается, а остается постоянной. Если k<tgα, то горизонтальная сила при затяжке будет уменьшаться.

- в-четвертых, выполнение наружной части отбортовки по радиусу R окружности x²+y²=R² (фиг.15) влечет за собой уменьшение горизонтальной проекции Р_г нормальной силы N в процессе зажима охватывающим кольцом, так как уменьшается тангенс угла наклона касательной (первая производная по мере приближения координаты точки касания к нулю, т.е. к краю отбортовки. И на наружной кромке лепестка эта сила отталкивания между отбортовками становится равной нулю.

При сравнительно небольших уровнях вибрации сосуда или аппарата горизонтальным усилием Р_г отталкивания между отбортовками можно пренебречь, так как оно составляет величину на два порядка меньше, чем основное усилие зажатия центральной части уплотнителя 10, которое обеспечивается откидными захватами 1.

При очень сильной вибрации требуется большая сила Р_в затяжки охватывающего затяжного устройства и, следовательно, усилие Р_г также возрастет и оно должно быть учтено при назначении величины основного усилия зажатия центральной части уплотнителя 10.

- в-пятых, оригинальным образом решается вопрос герметизации места концов охватывающего кольца 26 (фиг.4) путем введения между щеками 27 на концах хомута эластичного стержня 29 (фиг.1, 4, 10, 11, 16, 17, 18) с седловидной поверхностью, обращенной в сторону отбортовки.

При сжатии эластичного стержня 29 с помощью винта 28 (фиг.1) происходит его утолщение и увеличение толщины идет в сторону лепестков уплотнителя 10 за счет отталкивания от полочек 30. Стержень 29 при сжатии своей срединной частью касается отбортовок с расположенными на них лепестками уплотнителя 10. При этом возникает сила F (фиг.10), отталкивающая стержень от лепестков уплотнителя 10 и отбортовок 7 и 8 и направленная перпендикулярно продольной оси стержня, благодаря которой стержень теряет устойчивость и изгибается до совпадения с кривизной отбортовок. Усилие прижатия стержня к отбортовке регулируется подбором длины упругого стержня, его толщины и радиусов кривизны в поперечном сечении стержня. В результате седловидная поверхность эластичного стержня прижимается к лепесткам уплотнителя 10 с удельным давлением q (фиг.11) и по всей замкнутой окружности отбортовок крышки и корпуса происходит плотное прижатие лепестков. При затяжке винта 28 (фиг.4) верхняя половина охватывающего кольца 26 начинает двигаться вниз до прижатия к лепесткам уплотнителя и отбортовкам крышки и корпуса. Тросики 32 (фиг.9), закрепленные в верхней части охватывающего кольца, также начинают двигаться вниз, создавая некоторое натяжение пружины 37, находящейся на кронштейне 34. Таким образом, благодаря паре сил (винт- эластичный стержень) происходит равномерное концентрическое прижатие охватывающим кольцом лепестков, а в нижнем секторе - эластичным стержнем. При надавливании эластичным стержнем, выполненным в поперечном сечении в виде радиуса, на лепестки уплотнителя происходит его прижатие к лепесткам с явлением сдвига их от оси уплотнителя в сторону. Это видно из фиг.16, где показано, что нормальная сила N прижатия в точке касания раскладывается на две составляющие - горизонтальную Р_г и вертикальную Р_в. Горизонтальная сила вызывает смещение лепестка от оси уплотнителя с растяжением его волокон. То есть происходит одновременное прижатие лепестка к отбортовке и его скольжение по ней во внешнюю сторону. Такая схема работы лепестка увеличивает эффективность уплотнения, так как одним из условий работы эластичного уплотнителя (например, резины) является отсутствие ограничения упругого течения резины в направлении, перпендикулярном сжатию. («Резина, лишенная возможности раздаваться в стороны, является абсолютно жесткой». Пономарев С.Д. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. Том II, МАШГИЗ, М., 1958, с.491).

При работе сосуда или аппарата со средами, имеющими высокую температуру, например насыщенный или перегретый пар, со временем может произойти остаточное коробление лепестков уплотнителя от высокой температуры стенки отбортовки. На фиг.17 и 18 показано, что в процессе надавливания упругого стержня на деформированный лепесток, происходит его разглаживание с последующим плотным прижатием лепестка к отбортовке, как показано на фиг.16. Таким образом эффект «разглаживания» и прижатия лепестков к отбортовкам происходит по всему периметру охватывающего кольца как его металлической радиусной частью, так и эластичным стержнем.

Предлагаемая конструкция затвора позволяет контролировать вхождение в зацепление каждого отдельного захвата 1 с крышкой 9. Для этого каждый захват вводится в низковольтную электрическую цепь захват-крышка с выводом на пульт оператора. Один полюс цепи подводится к захвату, другой - к нажимному кольцу 12, которое изолировано от крышки эластичным кольцом 11, а стопоры 13, поджимающие кольцо, выполняются из электроизоляционного материала. Если какой-либо захват не вошел в зацепление с крышкой, внешнее силовое кольцо слегка отводится назад, для устранения возможного перекоса, затем возвращается на место.

При открывании затвора происходит обратная последовательность действий:

- ослабляется затяжка охватывающего кольца 26;

- под действием тяг привода наружное силовое кольцо движется от крышки в сторону корпуса. При этом копиры 25, закрепленные сзади силового кольца, набегают на ролик 2 и заставляют захват 1 поворачиваться вокруг оси 4. Носовая часть захвата, двигаясь по радиусу, освобождает крышку. Крышка отводится от уплотнителя 10, причем в случае ее прилипания к отбортовке крышки, уплотнитель удерживается своим пазом на кромке отбортовки корпуса.

Затвор предназначен для сосудов и аппаратов, работающих под внутренним или наружным давлением. Затвор имеет на крышке и корпусе отбортовки, выполненные по параболе или окружности и направленные в противоположные стороны, уплотнитель х-образной формы, выполненный эластичным с лепестками, расположенными на отбортовках по всей окружности уплотнителя, лепесток, расположенный на отбортовке корпуса, имеет сплошной замковый паз, в который входит кромка отбортовки корпуса, в отбортовках крышки и корпуса уложены металлические нажимные и эластичные кольца, откидные, расположенные равномерно по окружности захваты, имеющие нажимную носовую часть, хвостовую с роликом и спинку захвата, выполненную в виде наклонной плоскости, наружное силовое кольцо с внутренним конусом и копирами, закрепленными на кольце. Технический результат - повышение надежности. 18 ил.

Затвор повышенной герметичности и вибрационной стойкости для сосудов и аппаратов, работающих под внутренним или наружным давлением и имеющих на крышке и корпусе отбортовки, направленные в противоположные стороны, отличающийся тем, что форма отбортовок выполнена по параболе или окружности; уплотнитель х-образной формы выполнен эластичным с лепестками, расположенными на отбортовках по всей окружности уплотнителя, с выпуклыми уплотнительными поясками по центру симметрично вертикальной оси уплотнителя; лепесток, расположенный на отбортовке корпуса, имеет сплошной замковый паз, в который входит кромка отбортовки корпуса; в отбортовках крышки и корпуса уложены металлические нажимные и эластичные кольца, при этом нажимные кольца крепятся к эластичному кольцу с помощью винтов, ввертываемых в резьбовые отверстия, выполненные в металлическом нажимном кольце; нажимное и эластичное кольца в отбортовке крышки удерживаются в осевом направлении и центрируются стопорами из электровиброизоляционного материала, закрепленными на внутренней поверхности кромки отбортовки крышки; нажимное и эластичное кольца в отбортовке корпуса центрируются лепестком замкового паза уплотнителя и удерживаются в осевом направлении нажимными штырями; затвор имеет откидные, расположенные равномерно по окружности захваты, имеющие нажимную носовую часть, хвостовую с роликом и спинку захвата, выполненную в виде наклонной плоскости; спинка захвата, прилегающая к наружному силовому кольцу, выполнена в продольном сечении по логарифмической спирали; на нажимной штырь надеты металлические регулировочные шайбы; кронштейны для крепления захватов выполнены плавающими в направляющих на корпусе и имеют нажимную часть; затвор имеет наружное силовое кольцо с внутренним конусом и копирами, закрепленными на кольце; угол наклона образующей конуса к горизонтальной оси сосуда составляет 3 - 6°; в открытом положении затвора наружное силовое кольцо консольно подвешено с помощью роликов на направляющих, жестко прикрепленных к нему и вставленных в обоймы, закрепленные на пружинной подвеске относительно корпуса сосуда; в закрытом положении затвора наружное силовое кольцо центрируется по наклонным спинкам откидных захватов и прижато к ним; в трех точках, расположенных равномерно по окружности на кольце, шарнирно закреплены тяги привода кольца; в открытом положении затвора наружное силовое кольцо с направляющими отводится тягами назад; напротив каждого захвата на наружном силовом кольце крепятся копиры, служащие для набегания на ролик захвата; по внешнему периметру отбортовок расположено хомутное стягивающее устройство, которое при затяжке равномерно по всему периметру прижимает лепестки уплотнителя к отбортовкам; хомутное стягивающее устройство представляет собой незамкнутое охватывающее металлическое кольцо с затяжным устройством, состоящим из двух щек на концах кольца, между которыми расположены затяжной винт и эластичный стержень, расположенный на полочках, закрепленных на щеках и отстоящих от винта на некотором расстоянии; поверхность эластичного стержня, прилегающая к лепесткам уплотнителя, выполнена седловидной, радиус кривизны поверхности в каждом поперечном сечении эластичного стержня имеет точку касания с лепестками, образуя вдоль седла линию касания, а при затянутом состоянии охватывающего кольца - узкую поверхность касания; охватывающее металлическое кольцо подвешено сверху на двух тросиках, перекинутых через блоки, установленные на кронштейнах, закрепленных на корпусе сосуда или аппарата.