ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2007 года по МПК F16K31/42 F16K31/02 

Изобретение относится к конструкциям трубопроводной арматуры и предназначено для использования в устройствах с дистанционным управлением потоков рабочих сред в магистральных системах их транспортирования.

Известный электромагнитный клапан /1/, принятый в качестве аналога, в котором для управления основным затвором запорного устройства используют энергию давления рабочей среды. Конструкция клапана с усилителем имеет основной затвор и управляющий клапан (т.н. пилотный клапан), состоящий из управляющего затвора и электромагнитного привода. Основной затвор состоит из запорного элемента, механически связанного с силовым элементом усилителя, выполненного в виде мембраны и седла. Запорный элемент управляющего затвора механически связан с сердечником электромагнитного привода, управляет разгрузочным отверстием, во время открытия которого благодаря разгрузочным каналам, обеспечивается уменьшение давления с надмембранной полости и клапан приоткрывается.

Недостатком приведенного электромагнитного клапана следует считать отсутствие фиксации основного запорного органа и, как следствие, возникновение колебаний запорного органа, которые со временем приводят к физическому изнашиванию мембраны. Кроме того, недостатком данной конструкции также есть ограничение диапазона применения известной конструкции в зависимости от рабочего давления, температуры, химического состава рабочих сред, низкая надежность, которые обусловлены вышеуказанными недостатками.

Из науки и техники известен электромагнитный клапан /2/, принятый в качестве прототипа.

Клапан по принципу действия соответствует приведенному выше аналогу, содержит корпус с входным и выходным патрубками, электромагнитный привод с обмоткой управления, нижним и верхним обушками, главный клапан в нем выполнен в виде поршня с нагнетательным отверстием и каналами расхода, имеется пилотный клапан, управляемый давлением надпоршневой полости главного клапана, а основной запорный орган клапана выполнен в виде подпружиненного плунжера, содержит в основе уплотнитель. Конструкция прототипа имеет упрощенную конструкцию, что обеспечило уменьшение веса, габаритных размеров, несколько повысило надежность. По сравнению с аналогичными решениями конструкция прототипа позволила расширить диапазон использования по давлению и температуре, но не исключает другие недостатки, приведенные в аналоге. Также к недостаткам прототипа следует отнести: отсутствие фиксации запорного органа в открытом положении, что не исключает возникновения его колебаний при пульсациях давления рабочей среды на входе в клапан, что способствует механическому износу уплотнителя, установленного между плунжером и корпусом клапана.

В основу изобретения поставлена задача создания конструкции электромагнитного клапана путем усовершенствования магнитной системы электромагнитного привода клапана, который обеспечивает устойчивую фиксацию запорного органа главного клапана и устранение вынужденных колебаний.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в электромагнитном клапане, который содержит корпус с входным и выходным патрубками, электромагнитный привод с обмоткой управления, нижним и верхним обушками, главный клапан, выполненный в виде поршня с нагнетательным отверстием и каналами расхода, пилотный клапан, управляемый давлением надпоршневой полости главного клапана, главный клапан выполнен из магнитомягкого материала, является элементом дифференциальной магнитной системы электромагнитного привода, содержит в центре поршня шток, а на нем расточку, принудительно внедряемую в зону нижнего обушка во время открытия главного клапана, которая в момент внедрения в зону нижнего обушка обеспечивает изменение направления магнитного потока через полюс, выполненный на нижнем обушке со стороны главного клапана, и фиксацию плунжера при полном открытии клапана; при этом в центральном штоке главного клапана в аксиальном направлении выполнено отверстие, в котором установлен с организованным рабочим зазором толкатель, которым обеспечивается управление золотником пилотного клапана.

Существенные отличительные признаки электромагнитного клапана следующие:

- главный клапан выполнен из магнитомягкого материала;

- главный клапан является элементом дифференциальной магнитной системы электромагнитного привода, содержит в центре поршня шток;

- в штоке выполнена расточка (немагнитная зона), принудительно внедряемая в зону нижнего обушка во время открытия главного клапана, обеспечивает фиксацию плунжера при полном открытии клапана в момент прохождения через полюс, изменение направления (переключение) магнитного потока через полюс, выполненный на нижнем обушке со стороны главного клапана;

- в центральном штоке главного клапана в аксиальном направлении выполнено отверстие;

- в отверстии штока установлен толкатель с организованным рабочим зазором, которым обеспечивается управление золотником пилотного клапана.

Приведенные отличительные признаки обеспечивают следующий результат. Выполнение главного клапана из магнитомягкого материала и наличие расточки (немагнитной зоны), расположенной перед нижним обушком на его центральному штоке, обеспечивает переведение магнитного потока электромагнита во время принудительного вхождения расточки в зону нижнего обушка и достижения плунжером контакта с полюсом, образовывается магнитный фиксатор, который обеспечивает удержание главного клапана при любых значениях давления рабочей среды.

Наличие аксиального отверстия в штоке главного клапана с установленным в нем толкателем между золотником пилотного клапана и верхним сердечником, в расточке которого установлены регулировочные шайбы, которыми обеспечивается рабочий зазор. Величина зазора позволяет устанавливать временные характеристики клапана в пределах энергетических возможностей электромагнитного привода.

Техническое решение заявленного электромагнитного клапана приведено на чертежах: на фиг.1 изображен электромагнитный клапан в положении "Закрыто", в обесточенном состоянии; на фиг.2 - то же самое, в положении "Открыто", электромагнит подключен к сети управления.

Клапан состоит /см. фиг.1/ из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. Внутри корпуса 1 выполнено седло 4 главного клапана 5 с уплотнителем 6, расположенным на нижнем основании, плунжера 7 с уплотнителями 8, установленными по образующей и направляющей 9, которая запрессована в корпусе клапана 1. В основе главного клапана 5 выполнена камера 10, в которой установлен узел пилотного клапана, который состоит с поджатого пружиной 11 золотника 12. При этом усилие поджатия пружины 11 регулируется степенью ввинчивания направляющей 13, выполненной с дренажными отверстиями 14. В верхней плоскости золотника 12 установлен уплотнитель 15, который перекрывает каналы 16 расхода (сброса рабочей среды), выполненные в штоке 17, которые обеспечивают соединение надпоршневой камеры 18 с выходом клапана. При этом проходное сечение каналов сброса 16, дренажных отверстий 14 задается больше проходного сечения нагнетательного отверстия 19, выполненного в основе плунжера главного клапана 5, который поджат пружиной 20, установленной между главным клапаном 5 и нижним обушком 21 электромагнитного привода. Электромагнитный привод, в свою очередь, состоит из обмотки управления 22, герметичной гильзы 23, внутри которой установлен поджатый пружиной 24 сердечник 25 на зазоре «h», обусловленный длиной толкателя 26, который установлен в выполненном в аксиальном направлении отверстии штока 17 главного клапана 5 между золотником 12 и регулировочными шайбами 27. Магнитная система электромагнита содержит верхний обушок 28, кожух 29, установленный между верхним обушком 28, прижатый крепежными винтами 30 к нижнему обушку 21, в основе которого организован магнитный полюс 31. Магнитный полюс 31 во время полного открытия главного клапана является его фиксатором за счет переключения магнитного потока, благодаря внедрению (вхождению) расточки 32 в зону нижнего обушка. Герметичная гильза 23 крепится с помощью накидной гайки 33 к электромагнитному приводу, который, в свою очередь, жестко закреплен на корпусе 1 клапана, а герметичность крепления относительно окружающей среды обеспечивается уплотнителями 34, 35.

Работа электромагнитного клапана.

На фиг.1 клапан в положении "Закрыто", обмотка 22 электромагнита обесточена, главный клапан 5 поджат пружиной 20, уплотнителем 6 к седлу 4; золотник 12 перекрывает каналы 16 расхода (сбрасывания) рабочей среды с надпоршневой камеры 18 в выходной патрубок 3 через дренажные отверстия 14, выполненные в направляющей 13, которая ввинчена в камеру 10, чем регламентируется усилие поджатия золотника 12 пружиной 11 и с помощью толкателя 26 организовывается рабочий зазор «h» между сердечником 25 и штоком 17 главного клапана 5, выполненных из магнитомягкого материала и установленных на ходе «H» (полном ходе открытия главного клапана) плунжера 7 с уплотнителями 8 между запрессованной направляющей 9 в корпусе 1 клапана. Сердечник 25 установлен в герметичной гильзе 23 и поджат обратной пружиной 24, а гильза 23 жестко соединена с кожухом электромагнита.

При подаче рабочей среды во входной патрубок 2 через нагнетательное отверстие 19 рабочая среда поступает в надпоршневую полость 18 и создает дополнительное усилие прижатия главного клапана 5 к седлу 4 пропорциональное давлению на входе.

Для открытия клапана на управляющую обмотку 22 электромагнитного привода подается управляющее напряжение. При этом сердечник 25, который установлен на малом рабочем зазоре "h", под влиянием магнитодвижущей силы перемещается к штоку 17 и, при этом влияя на толкатель 26, перемещает золотник 12 и открывает пилотный клапан. Рабочая среда с надпоршневой пустоты 18 сбрасывается в выходной патрубок 3 через каналы сбрасывания 16 в штоке 17 главного клапана 5, через дренажные отверстия 14 в направляющей 13, сечение которых выбрано больше проходного сечения нагнетательного отверстия 19. Магнитный поток Ф1 управляющей обмотки 22 в этот момент замыкается по цепи: сердечник 25, шток 17, нижний обушок 21, кожух 29, верхний обушок 28, сердечник 25.

После сбрасывания давления рабочей среды с надпоршневой полости главный клапан 5 под влиянием давления рабочей среды на входе перемещается вместе с притянутым сердечником 25 к полюсу 31, при этом одновременно происходит вхождение расточки 32, расположенной на штоке 17, в зону нижнего обушка. Это обеспечивает увеличение магнитного сопротивления и перераспределения магнитного потока по цепи: сердечник 25, главный клапан 5 со штоком 17 и плунжером 7, магнитный полюс 31, расположенный на нижнем обушке 21, кожух 29, верхний обушок 28, сердечник 25. Замкнутая магнитная система удерживает главный клапан возле полюса 31, как это показано на фиг.2, перераспределенным магнитным потоком Ф2. При этом пульсации давления в трубопроводе не воспринимаются главным клапаном 5.

Закрытие клапана происходит благодаря снятию управляющего напряжения из обмотки электромагнита и соответственно уменьшением удерживающего магнитного потока. Сила сжатой пружины 11 возвращает золотник 12 пилотного клапана, обеспечивая перекрывание каналов 16 расхода (сбрасывание) рабочей среды из надпоршневой полости 18, давление в которой, поступающее через нагнетательное отверстие 14, увеличивается до величины входного и под действием обратного действия пружины главный клапан 5 садится на седло 4 и перекрывает проходное отверстие.

Подбором толщины пакета регулировочных шайб 27 задается величина зазора «h», что обеспечивает возможность настраивания необходимых характеристик открытия или закрытие клапана в пределах энергетических возможностей электромагнита.

Электромагнитный клапан прошел испытания, подтвердил его работоспособность и поставленную задачу.

Использованная литература:

1. С.Х.Щучинский. Клапаны с электромагнитным приводом. Справочное пособие. Москва, Энергоатомиздат, 1988. Стр.60 - аналог.

2. Проспект фирмы Herion Bauqrpp A100 EL-KFM AUTOMATIK Ausqabe 4/75 - прототип.

Изобретение относится к конструкциям трубопроводной арматуры и предназначено для использования в устройствах с дистанционным управлением потоками рабочей среды в магистральных системах их транспортирования. Электромагнитный клапан содержит корпус с входным и выходным патрубками, электромагнитный привод с обмоткой управления, нижним и верхним обушками, главный клапан и пилотный клапан. Главный клапан выполнен в виде поршня с нагнетательным отверстием и каналами расхода. Пилотный клапан управляется давлением надпоршневой полости главного клапана. Главный клапан выполнен из магнитомягкого материала, является элементом дифференциальной магнитной системы электромагнитного привода и содержит в центре поршня шток. На штоке выполнена расточка. Расточка принудительно внедряется в зону нижнего обушка во время открытия главного клапана. В момент внедрения в зону нижнего обушка она обеспечивает изменение направления магнитного потока через полюс и фиксацию плунжера при полном открытии клапана. Полюс выполнен на нижнем обушке со стороны главного клапана. В центральном штоке главного клапана в аксиальном направлении выполнено отверстие. В отверстие установлен с организованным рабочим зазором толкатель. Последний обеспечивает управление золотником пилотного клапана. Изобретение направлено на усовершенствование магнитной системы электромагнитного привода клапана, на обеспечение устойчивой фиксации запорного органа главного клапана и на устранение вынужденных колебаний. 2 ил.

Электромагнитный клапан, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, электромагнитный привод с обмоткой управления, нижним и верхним обушками, главный клапан, выполненный в виде поршня с нагнетательным отверстием и каналами расхода, пилотный клапан, управляемый давлением надпоршневой полости главного клапана, отличающийся тем, что главный клапан выполнен из магнитомягкого материала, является элементом дифференциальной магнитной системы электромагнитного привода, содержит в центре поршня шток, а на нем расточку, принудительно внедряемую в зону нижнего обушка во время открытия главного клапана, которая в момент внедрения в зону нижнего обушка обеспечивает изменение направления магнитного потока через полюс, выполненный на нижнем обушке со стороны главного клапана, и фиксацию плунжера при полном открытии клапана, при этом в центральном штоке главного клапана в аксиальном направлении выполнено отверстие, в котором установлен с организованным рабочим зазором толкатель, которым обеспечивается управление золотником пилотного клапана.