КЛАПАН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ С РУЧНЫМ ДУБЛЕРОМ Российский патент 2008 года по МПК F16K31/02 F16K31/05 

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и может быть использовано для дистанционного и ручного управления потоком рабочей жидкости по трубопроводу с диаметром условного прохода от 6 мм до 125 мм при входном давлении рабочей жидкости от 0,06 до 6,3 МПа.

Известен серийно выпускаемый нормально закрытый электромагнитный клапан с ручным дублером КЭО 15/04/151/111/1 (Паспорт ТП 5122-0221-01 ПС. Изготовитель ООО НПП "Технопроект", г.Пенза) (1), содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками, электромагнит с якорем, имеющим уплотнительные элементы на боковой поверхности и на торце, перекрывающем седло клапана. Якорь поджат к седлу клапана пружиной, а для открывания аналога используется мощная катушка, способная преодолеть как усилие пружины, так и дополнительное усилие поджатия давлением рабочей жидкости. Соосно с якорем в корпусе выполнен ручной дублер в составе втулки, штока с пружиной и уплотнительных элементов. Якорь аналога (1) имеет сквозное отверстие малого сечения, через которое на внутренний торец якоря воздействует давление рабочей жидкости, чем создается дополнительная сила поджатия якоря к седлу клапана.

Существенными недостатками аналога (1) являются:

- повышенное энергопотребление из-за отсутствия сервопривода, что не позволяет управлять давлением рабочей жидкости более 0,3 МПа и в трубопроводах с условным проходным сечением более 15 мм;

- большое время переключения (до 3 сек) из-за дренажа жидкости через отверстие малого сечения и значительной длины в якоре;

- значительное усилие ручного управления, связанное с преодолением усилия как пружин электромагнита и штока, так и дополнительного усилия поджатия якоря давлением рабочей среды.

Эти недостатки существенно ограничивают область применимости аналога (1).

Наиболее близким известным техническим решением является нормально закрытый клапан электромагнитный магистральный RU 2277664 С1 (заявка №2004136474/06) (2), содержащий корпус с подводящим патрубком и сервоприводом на торцевой стенке, соосно соединенный с корпусом клапана корпус электромагнитного привода с отводящим патрубком на торцевой стенке. Сервопривод прототипа содержит цилиндрический корпус с юбкой, поршень с уплотнительными манжетами и стопорным кольцом на боковой поверхности, а также возвратную пружину и разгрузочное отверстие с дополнительным седлом на торцевой поверхности цилиндра сервопривода. Торец поршня имеет загрузочное отверстие и уплотнительное кольцо для перекрытия основного седла клапана. Электромагнитный привод содержит центральный кольцевой элемент, обмотку, а также ярмо и якорь с конусообразными поверхностями. Якорь имеет две группы дренажных отверстий и уплотнительный диск для перекрытия седла сервопривода. Между центральным кольцевым элементом и ярмом образован магнитный зазор, в котором создается повышенная сила притяжения якоря, позволяющая вкупе с сервоприводом управлять малой мощностью в обмотке электромагнитного привода при давлении рабочей жидкости до 2,5 МПа и при величине условного проходного сечения клапана до 125 мм.

Тем не менее, есть необходимость и возможность дополнительного повышения эффективности силового воздействия на якорь магнитного зазора в прототипе путем изменения конструкции якоря и центрального кольцевого элемента. Кроме того, прототип не обеспечивает функции ручного управления клапаном и практически непригоден при давлении рабочей жидкости более 2,5 МПа.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности силового воздействия на якорь магнитного зазора путем изменения конструкции якоря и центрального кольцевого элемента, а также расширение возможностей применения путем обеспечения функции ручного управления наряду с имеющим место дистанционным управлением состоянием клапана. Этот результат обеспечен выполнением взаимодействующей с якорем поверхности центрального кольцевого элемента конусообразной и введением в клапан ручного дублера в составе поворотной оси с уплотнительными элементами, кулачком, ручкой и возвратной пружиной, причем закрепленный на оси кулачок размещен между торцевыми поверхностями якоря и сервопривода, кроме того конусообразный якорь выполнен полым в составе конусообразного корпуса с выходным дренажным отверстием и торцевой стенки с входными дренажными отверстиями, в центре которой выполнена глухая направляющая втулка с уплотнительным диском якоря на дне и с боковыми дренажными отверстиями. Уплотнительный диск якоря при этом перекрывает торец направляющей трубки с разгрузочным отверстием сервопривода, выполняющий роль седла сервопривода.

Конструкция клапана приведена на Фиг.1 /разрез по осевой линии/, на Фиг.2 приведена конструкция полого дискового якоря /вид сверху и вид снизу/, на Фиг.3 показана конструкция оси ручного дублера с кулачком /вид сбоку, вид сверху/, на Фиг.4 изображен вариант оси ручного дублера с кулачком в виде кольца, на фиг.5 показан вариант конструктивного исполнения ручного дублера /вид снаружи клапана и разрез по оси/.

Клапан Фиг.1 содержит корпус 1, на торцевой стенке 2 которого размещен подводящий патрубок 3 с основным седлом 4, перекрываемым кольцевым уплотнительным элементом 5, размещенным на торце поршня 6 сервопривода. Цилиндр 7 сервопривода имеет юбку 8 с отверстиями 9 и крепежными элементами 10, жестко закреплен на торцевой стенке 2. Протечку рабочей жидкости между поршнем 6 и цилиндром 7 исключают манжеты 11, закрепленные стопорным кольцом 12 на боковой поверхности поршня 6. Поджатие поршня 6 с уплотнительным кольцом 5 к седлу 4 обеспечено пружиной 13 сервопривода. Загрузочное 14 и разгрузочное 15 отверстия сервопривода обеспечивают дополнительное, пропорциональное входному давлению рабочей среды, поджатие поршня к седлу 4 /при перекрытом отверстии 15/ и преодоление усилия пружины 13 поршнем 6 при открытом отверстии 15, которое выполнено в направляющей трубке 16, закрепленной на торце цилиндра 7. По направляющей трубке 16 скользит направляющая глухая втулка 17 якоря, размещенная на торцевой стенке 18 якоря. Торцевая стенка 18 якоря жестко соединена с конусообразным корпусом 19 якоря и имеет отверстия 20 для свободного /или с небольшим перепадом давлений/ протекания рабочей жидкости при открытом клапане. Дистанционное управление клапаном обеспечено подачей тока в размещенную в каркасе 21 обмотку 22 электромагнитного привода клапана, образованного якорем, ярмом 23, корпусом 24 электромагнитного привода и центральным кольцевым элементом 25. Между ярмом 23 и центральным кольцевым элементом 25 образован магнитный зазор 26. За счет сопряженных конусообразных поверхностей якоря, ярма 23 и центрального кольцевого элемента 25, зазор между поверхностями якоря и ярма 23 с центральным кольцевым элементом 25 минимален, а площадь взаимодействия этих элементов максимальна, что и обеспечивает высокое силовое воздействие на якорь при подаче в обмотку 22 минимальной мощности. Конструкция якоря раскрыта на Фиг.2, из которого очевидна высокая технологичность его изготовления в условиях серийного и массового производства. Элементы 17, 18 и 19 якоря можно изготовить штамповкой или литьем под давлением с последующей минимальной доводкой размеров методом шлифования.

При отсутствии тока в обмотке 22 якорь поджат пружиной 27 к торцу направляющей трубки 16 уплотнительным диском 28 - отверстие 15 перекрыто и клапан нормально закрыт. Внутренняя полость сервопривода находится под входным давлением рабочей жидкости, чем обеспечено дополнительное к усилию пружины 13 усилие поджатия поршня 6 к седлу 4. При подаче тока в обмотку 22 якорь преодолевает усилие пружины 27 и поджимается к конусообразным поверхностям ярма 23 и центрального кольцевого элемента 25 - рабочая жидкость вытекает из внутренней полости сервопривода через отверстие 15 быстрее, чем втекает через отверстие 14 - поршень 6 отходит от седла 4, открывая проход рабочей жидкости через отверстия 9, 20 и 29 в выходной патрубок 30. После отключения тока питания обмотки 22 якорь под действием пружины 27 поджимется уплотнительным диском 28 к торцу направляющей втулки 16, давление во внутренней полости сервопривода повышается до входного давления рабочей жидкости и поршень 6 кольцевым уплотнительным элементом 5 перекрывает седло 4 - клапан возвращается в нормально закрытое состояние.

Для ручного дублирования в клапан введены ось 31 с уплотнительными элементами 32 и элементом 33 воздействия на якорь. На оси 31 снаружи клапана закреплена ручка 34 с возвратной пружиной 35. На Фиг.3 показана конструкция оси 31. Ось 31 снабжена упором 36 и хвостовиком 37 для закрепления на нем ручки 34 ручного дублера. Поворотом ручки 34 обеспечивается воздействие элемента 33 на торцевые стенки цилиндра 7 и 18, как следствие якорь с уплотнительным диском 28 отводится от торца направляющей втулки 16 - внутренняя полость сервопривода разгружается и поршень 6 с уплотнительным кольцом 5 отходит от седла 4 - клапан открывается на время удержания ручки 34 в новом положении. После снятия внешнего воздействия на ручку 34 вместе с осью 31 и элементом 33 возращается в исходное состояние за счет пружины 35 - якорь под воздействием пружины 27 поджимается уплотнительным диском 28 к торцу направляющей трубки 16 - давление во внутренней полости сервопривода повышается до входного давления рабочей жидкости и клапан закрывается. При диаметре условного прохода клапана более 25 мм предпочтительно использование элемента 33 в виде вилки или эллипса, как это изображено на Фиг.4. В этом случае обеспечен отвод якоря от торца втулки 16 без перекосов.

На Фиг.5 приведен вариант конструктивного исполнения ручного дублера и его размещение на корпусе 1 клапана. Ручка 34 имеет глухое отверстие, в котором размещены возвратная пружина 35 и фиксатор 38 /шарик/, скользящий по канавке с углублением 39 на корпусе 1. Между ручкой 34 и уплотнительным элементом 32 оси 31 размещена шайба 40. При отсутствии внешнего воздействия на ручку 34 шарик 38 находится в углублении 39, при этом элемент 33 /см. Фиг.1/ не влияет на положение торцевой стенки 18 якоря и состояние клапана определяется только подачей тока в обмотку 22 электромагнитного привода. Принудительное срабатывание /открывание/ клапана обеспечивается поворотом ручки 34 на (30-60) угловых градусов. Поскольку усилие пружины 27, воздействующей на якорь, невелико, а воздействие силы ручного воздействия на ручку 34 при передаче на элемент 33 усиливается, то предложенный вариант ручного дублера позволяет производить открывание клапана легким поворотным воздействием на ручку 34 ручного дублера, что является дополнительным эксплуатационным преимуществом предложенного технического решения.

Выбором соотношения сечений S20 и S29 якоря в пределах:

S₂₀=(0,5-0,95) S29 можно обеспечить самоблокировку открытого состояния клапана потоком рабочей жидкости. При протекании рабочей жидкости через якорь создается сила Fp противодействия усилию пружины 27, пропорциональная перепаду давлений Р до и после торцевой стенки 18 якоря: Fp=Sя×Р - Fпр, где Sя - площадь торцевой стенки 18, Fпр - усилие пружины 27. Например, при Fпр=15 Н, Sя=8 см², достаточно разности давлений Р>0,187 кг/см для удержания уплотнительного диска 28, размещенного в направляющей втулке 17 торцевой стенки 18 якоря в отжатом от торца направляющей трубки 16 цилиндре 7. Конкретное значение перепада давления Р зависит от скорости потока рабочей жидкости через якорь и от соотношения сечений отверстий S₂₀ и S₂₉ якоря.

Таким образом, сохранив все преимущества прототипа (2), предложенное техническое решение обеспечивает дополнительную функцию - ручное дублирование открыванием клапана. Кроме того, исполнение центрального кольцевого элемента электромагнитного привода с конусообразной поверхностью, прилегающей к аналогичной поверхности якоря, позволяет повысить эффективность силового воздействия магнитного зазора на якорь электромагнитного привода клапана. К тому же, исполнение якоря полым из двух штампованных деталей повышает технологичность конструкции и снижает массу якоря, что также важно при любом пространственном положении клапана. Следует отметить также дополнительное технологическое преимущество предложенного варианта магнитного зазора 26 - возможность более простой и надежной защиты обмотки 22 от воздействия рабочей среды как следствие предложенного варианта исполнения магнитного зазора в электромагнитном приводе. Действительно, по сравнению с прототипом (2) зазор между ярмом 23 и центральным кольцевым элементом имеет значительную глубину и может быть загерметизирован компаундом, способным выдерживать давление рабочей жидкости до 6,3 МПа.

По сравнению с серийным аналогом (1) предложенный клапан работоспособен в широком диапазоне давлений рабочей среды, при применении на трубопроводах с диаметром условного прохода до 125 мм, при времени переключения не более 0,5 сек и при меньшей в (5-6) раз мощности, потребляемой обмоткой электромагнитного привода.

Предложенное техническое решение может использоваться при разработке и производстве клапанов на давление рабочей жидкости от 0,06 МПа до 6,3 МПа для трубопроводов с диаметром условного прохода от 6 до 125 мм.

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для дистанционного и ручного управления потоком рабочей жидкости по трубопроводу с диаметром условного прохода от 6 мм до 125 мм при входном давлении рабочей жидкости от 0,06 МПа до 6,3 МПа. Клапан содержит корпус 1 с подводящим патрубком 3, сервопривод поршневого типа в составе поршня 6, гидроцилиндра 7, пружины 13, загрузочного отверстия 14 и разгрузочного отверстия 15, выполненного в направляющей трубке 16. Торец трубки 16 перекрывается уплотнительным диском 28, размещенным на дне втулки 17. Эта втулка 17 выполнена в торцевой стенке 18 полого конусообразного электромагнитного якоря. Корпус 19 якоря находится в зоне действия магнитного зазора 26. Зазор образован ярмом 23 и центральным кольцевым элементом 25. Последний вместе с корпусом 24 образуют электромагнитный привод клапана. Выходной патрубок 30 клапана размещен на торце корпуса 24 электромагнита. В состав клапана введен ручной дублер. Ручной дублер содержит ось 31 с уплотнительными элементами 32 и элементом 33 воздействия на якорь, а также ручку 34 с пружиной 35. Элемент 33 размещен между торцевыми поверхностями якоря и сервопривода. Изобретение направлено на повышение эффективности силового воздействия на якорь магнитного зазора, а также на расширение возможностей применения электромагнитного клапана за счет наличия ручного дублера поворотного типа. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Клапан электромагнитный с ручным дублером, содержащий корпус с торцевой стенкой, на которой размещены подводящий патрубок с основным седлом клапана и сервопривод в составе цилиндра с юбкой и разгрузочным отверстием, пружины, поршня с уплотнительными манжетами и стопорным кольцом на боковой поверхности, уплотнительного кольца и загрузочного отверстия, размещенных на торце поршня, а также электромагнитный привод в составе конусообразного дискового якоря с двумя группами отверстий, соединенного соосно с корпусом клапана корпуса электромагнитного привода, входящих в состав электромагнитного привода ярма и кольцевого центрального элемента и образованного ими магнитного зазора, а также возвратной пружины и размещенной на каркасе обмотки, защитного слоя обмотки, причем разгрузочное отверстие сервопривода перекрывается уплотнительным диском, размещенным на торце якоря, отличающийся тем, что в состав клапана введен ручной дублер, содержащий ось с элементом воздействия на якорь и уплотнительными элементами, ручку и возвратную пружину, причем имеющийся на оси элемент воздействия на якорь размещен между торцевыми поверхностями якоря и сервопривода.2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что элемент воздействия на якорь выполнен в виде вилки.3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что элемент воздействия на якорь выполнен в виде кулачка.4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что элемент воздействия на якорь выполнен в виде кольца.5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что прилегающая к якорю поверхность центрального кольцевого элемента выполнена конусообразной.6. Клапан по п.1, отличающийся тем, что конусообразный дисковый якорь выполнен полым в составе корпуса с выходным дренажным отверстием и торцевой стенки с отверстиями, в центре которой выполнена глухая направляющая втулка с уплотнительным диском на дне и с боковыми дренажными отверстиями, причем внутри направляющей втулки якоря размещена соединенная с цилиндром сервопривода направляющая трубка с разгрузочным отверстием, торец которой служит седлом сервопривода.7. Клапан по п.1, отличающийся тем, что ручка ручного дублера имеет глухое отверстие, в котором размещены возвратная пружина и фиксатор, например шарик, а на корпусе клапана выполнена канавка для фиксатора с углублением, в которое попадает фиксатор в исходном положении ручки ручного дублера.8. Клапан по п.1, отличающийся тем, что зазор между ярмом и центральным кольцевым элементом загерметизирован компаундом, выполняющим роль защитного элемента обмотки.