ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН Российский патент 2008 года по МПК F16K39/02 F16K47/02 F15B13/01 

Изобретение относится к области гидравлической аппаратуры, а именно к напорным запорно-регулирующим клапанам, то есть клапанам, предназначенным для плавного регулирования расхода рабочей жидкости на участке между источником питания высокого давления и гидродвигателем от нуля (при полном перекрытии проходного сечения клапана) до соответствующего максимума (при открытии проходного сечения клапана на максимальную величину), и может быть использовано, в частности, в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.

Известен запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском и хвостовиком, связанный с двумя диаметрально расположенными штоками, концы которых через уплотненные отверстия выходят в противоположные стороны за пределы корпуса клапана, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости [1].

В указанном запорно-регулирующем клапане надклапанная полость посредством дроссельного отверстия соединена с присоединительным входным каналом, а запорно-регулирующий элемент снабжен осевым отверстием и полостью разгрузки с седлом разгрузочного клапана, затвор которого размещен в полости разгрузки и жестко связан со штоками, расположенными в осевом отверстии запорно-регулирующего элемента и снабженными продольными выточками и выступом, образующим упор запорно-регулирующего элемента со стороны, обратной седлу разгрузочного клапана, при этом полость разгрузки сообщена с надклапанной полостью и через седло разгрузочного клапана и продольные выточки - с выходным каналом. Хвостовик запорно-регулирующего элемента выполнен конусным и направлен вершиной конуса в сторону выходного канала, причем направляющая цилиндрическая часть запорно-регулирующего элемента имеет диаметр не меньше наибольшего диаметра конусного хвостовика, равного диаметру цилиндрического уплотняющего пояска.

В рассматриваемой конструкции верхний (расположенный со стороны надклапанной полости) и нижний (расположенный со стороны выходного канала клапана) штоки связаны с запорно-регулирующим элементом с возможностью перемещения относительно его в осевом направлении на величину зазора, равного ходу затвора разгрузочного клапана относительно запорно-регулирующего элемента, и имеют одинаковые диаметры.

При отсутствии управляющего сигнала на открытие рассматриваемого клапана его запорно-регулирующий элемент результирующей силой давления жидкости прижимается к седлу. Поскольку эта сила может быть весьма значительной, то для исключения разрушения уплотнительной фаски седла и запорной фаски запорно-регулирующего элемента (из-за больших контактных напряжений) площадь поверхности их контакта должна иметь величину, не меньшую некоторого предельного значения. Ограничение величины указанной площади по минимуму предопределяет усложнение притирки уплотнительной фаски седла и запорной фаски запорно-регулирующего элемента до состояния, при котором обеспечивается герметичность указанной пары.

Для снижения усилия, создание которого требуется от управляющего привода запорно-регулирующего клапана, предусмотрен разгрузочный клапан (выходное звено управляющего привода соединяется с одним из штоков, жестко связанных с затвором разгрузочного клапана).

Наличие разгрузочного клапана, размещенного во внутренней полости запорно-регулирующего элемента, усложняет конструкцию известного запорно-регулирующего клапана и снижает надежность его работы из-за возможной негерметичности дополнительной клапанной пары: затвор-седло разгрузочного клапана.

Наличие двух клапанных пар в рассматриваемой конструкции (обе из которых требуют притирки) усложняет изготовление клапана и проведение его ремонтных работ в процессе эксплуатации.

При эксплуатации данного клапана (особенно на загрязненных рабочих жидкостях) возможно размывание (увеличение в диаметре) дроссельного отверстия, посредством которого надклапанная полость соединена с присоединительным входным каналом. В силу этого при открытии проходного сечения разгрузочного клапана до упора выступа его затвора в запорно-регулирующий элемент потери давления на дроссельном отверстии при прочих равных условиях оказываются меньше, давление в надклапанной полости выше, а усилие, необходимое для подъема запорно-регулирующего элемента относительно его седла, больше, что предопределяет необходимость завышения потребного усилия управляющего привода клапана на этапе его изготовления (с соответствующими увеличением габаритов и массы привода).

При малом открытии проходного сечения между запорной фаской запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаской его седла (после упора выступа затвора разгрузочного клапана в запорно-регулирующий элемент), когда еще не открыто или открыто на небольшую величину проходное сечение между цилиндрическими уплотняющими поясками запорно-регулирующего элемента и седла, давление в пространстве между запорно-регулирующим элементом и седлом на участке, ограниченном указанными цилиндрическими уплотнительными поясками и входом в зазор между запорной фаской запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаской седла, поднимается до величины, равной или близкой к давлению во входном канале клапана. В связи с этим, если диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента больше (что является одним из двух возможных толкований понятия "не меньше") наибольшего диаметра конусного хвостовика, который равен диаметру цилиндрического уплотнительного пояска запорно-регулирующего элемента, то гидравлический поджим запорно-регулирующего элемента к выступу затвора разгрузочного клапана не гарантируется и под действием изменившегося баланса сил давления жидкости возможно неуправляемое смещение запорно-регулирующего элемента в направлении от его седла, уменьшающее рассогласование между перемещениями затвора разгрузочного клапана и запорно-регулирующего элемента. Это влечет за собой уменьшение площади проходного сечения разгрузочного клапана и повышение давления в надклапанной полости, что приводит, в свою очередь, к движению запорно-регулирующего элемента в обратном направлении и так далее.

Таким образом, при малых открытиях проходного сечения клапана не исключено возникновение продольных колебаний запорно-регулирующего элемента, сопровождающихся неуправляемыми изменениями площади проходного сечения клапана и соответственно расхода рабочей жидкости через него, ударами запорно-регулирующего элемента по выступу затвора и запорной фаске разгрузочного клапана, а вследствие этого повышенными шумом и износом клапана, что приводит к снижению надежности клапана.

Установка жестко связанных с затвором разгрузочного клапана штоков с осевым зазором относительно запорно-регулирующего элемента (равным ходу затвора разгрузочного клапана относительно запорно-регулирующего элемента), во-первых, создает условия для неуправляемых перемещений (колебаний) указанного элемента относительно штоков, во-вторых, приводит к потерям времени на выборку указанного зазора и к перемещению запорно-регулирующего элемента относительно его седла с запаздыванием по отношению к моменту начала регулирования, что снижает быстродействие клапана при его открытии.

При открытом проходном сечении клапана и небольших значениях перепада давления в его входном и выходном каналах результирующая сила давления, действующая со стороны рабочей жидкости на затвор разгрузочного клапана со штоками и запорно-регулирующий элемент, для рассматриваемого запорно-регулирующего клапана (в силу того, что направляющая цилиндрическая часть запорно-регулирующего элемента имеет диаметр не меньше наибольшего диаметра конусного хвостовика, а диаметры верхнего и нижнего штоков одинаковы) может иметь значение, не достаточное для преодоления сил трения в подвижных парах и перемещения затвора разгрузочного клапана и, соответственно, запорно-регулирующего элемента в положение, при котором проходное сечение клапана закрыто. Поэтому при нарушении связи соответствующего штока с выходным звеном управляющего привода клапана или отказе указанного привода затвор разгрузочного клапана и запорно-регулирующий элемент могут остаться в положении, при котором проходное сечение клапана открыто, что не допустимо из соображений безопасности, так как сопровождается движением выходного звена гидродвигателя и приводимого им рабочего оборудования и может привести к аварийной ситуации. Указанное обстоятельство (недостаточная надежность закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях) является основным недостатком известного запорно-регулирующего клапана.

Одним из способов обеспечения надежного закрытия проходного сечения клапана в нештатных ситуациях является применение в его конструкции пружины, усилие предварительного поджатия которой действует в направлении закрытия проходного сечения клапана и достаточно для осуществления указанной операции. Однако введение в состав клапана такой пружины усложняет его конструкцию.

При выполнении хвостовика запорно-регулирующего элемента с конической боковой поверхностью закон изменения площади А_р·о·кл проходного сечения рабочего окна, открываемого запорно-регулирующим элементом после его подъема относительно седла на величину перекрытия уплотняющих цилиндрических поясков, в функции его дальнейшего перемещения х относительно седла (при пренебрежении величиной радиального зазора между цилиндрическими уплотняющими поясками запорно-регулирующего элемента и его седла) имеет вид:

А_р.о.кл=π(D_n-0,5x·sin2α)x·sinα,

где D_n - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска;

α - половинное значение угла при вершине конической боковой поверхности хвостовика.

Поскольку величина 0,5x·sin2α достаточно мала по сравнению с диаметром D_n (тем более при малых значениях х), то указанный закон близок к линейному. При линейном же законе изменения площади проходного сечения клапана от перемещения его запорно-регулирующего элемента, как известно, относительная погрешность регулирования расхода рабочей жидкости при фиксированной погрешности установки запорно-регулирующего элемента в требуемую позицию и прочих равных условиях очень существенно зависит от величины x и теоретически увеличивается по гиперболической зависимости при уменьшении x (см.: Гойдо М.Е. Гидроаппаратура с пропорциональным электрическим управлением: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2000. - С.27-28).

Таким образом, существующий запорно-регулирующий клапан характеризуется низкой точностью регулирования расхода в области малых открытий запорно-регулирующим элементом проходного сечения, что также является его существенным недостатком.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является принятый в качестве прототипа запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском и хвостовиком, связанный с двумя диаметрально расположенными штоками, концы которых через уплотненные отверстия выходят в противоположные стороны за пределы корпуса клапана, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом [2, фиг.4, 5]. У указанного клапана верхний (расположенный со стороны надклапанной полости) и нижний (расположенный со стороны выходного канала клапана) штоки (выходное звено управляющего привода соединяется с одним из этих штоков) зафиксированы в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента и имеют одинаковые диаметры, а эффективные площади поверхностей, участвующих в передаче усилия со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, имеют значения, обеспечивающие полную или практически полную разгрузку запорно-регулирующего элемента от сил гидростатического давления жидкости.

В силу практически полной разгрузки запорно-регулирующего элемента известного клапана от сил гидростатического давления жидкости необходимые для обеспечения герметичного разделения входной и выходной полостей клапана контактные напряжения в зоне соприкосновения уплотнительной фаски седла и запорной фаски запорно-регулирующего элемента создаются посредством управляющего привода клапана. При нарушении связи соответствующего штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана или отказе указанного привода контактные напряжения в зоне соприкосновения уплотнительной фаски седла и запорной фаски запорно-регулирующего элемента снижаются и герметичность клапана нарушается.

При открытом проходном сечении клапана результирующая сила давления, действующая со стороны рабочей жидкости на его запорно-регулирующий элемент (по причине практически полной разгрузки запорно-регулирующего элемента рассматриваемого клапана от сил гидростатического давления жидкости), может иметь значение, не достаточное для преодоления сил трения в подвижных парах и перемещения запорно-регулирующего элемента в положение, при котором проходное сечение клапана закрыто (более того, эта сила может действовать в направлении открытия проходного сечения клапана). Поэтому при нарушении связи соответствующего штока с выходным звеном управляющего привода клапана или отказе указанного привода запорно-регулирующий элемент может остаться в положении, при котором проходное сечение клапана открыто, что не допустимо из соображений безопасности, так как сопровождается движением выходного звена гидродвигателя и приводимого им рабочего оборудования и может привести к аварийной ситуации. Указанное обстоятельство (недостаточная надежность герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях) является основным недостатком известного запорно-регулирующего клапана.

Центральное проходное отверстие седла данного клапана на участке между уплотнительной фаской и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском имеет коническую поверхность (с вершиной конуса, направленной в сторону выходного канала). Регулируемое проходное сечение клапана образуется между указанной конической поверхностью седла и нижней кромкой ответного цилиндрического уплотняющего пояска, выполненного на хвостовике запорно-регулирующего элемента со стороны выходного канала клапана. При этом закон изменения площади А_р.о.кл проходного сечения рабочего окна, открываемого запорно-регулирующим элементом после его подъема относительно седла на величину перекрытия уплотняющих цилиндрических поясков, в функции его дальнейшего перемещения x относительно седла близок к линейному. При линейном же законе изменения площади проходного сечения клапана от перемещения его запорно-регулирующего элемента, как уже отмечалось выше, относительная погрешность регулирования расхода рабочей жидкости при фиксированной погрешности установки запорно-регулирующего элемента в требуемую позицию и прочих равных условиях очень существенно зависит от величины x и теоретически увеличивается по гиперболической зависимости при уменьшении х.

Таким образом, рассматриваемый запорно-регулирующий клапан характеризуется низкой точностью регулирования расхода в области малых открытий запорно-регулирующим элементом проходного сечения, что также является его существенным недостатком.

Кроме того, поскольку максимальная площадь проходного сечения клапана определяется площадью кольца, больший (внешний) диаметр которого равен диаметру центрального цилиндрического уплотняющего пояска седла, а меньший (внутренний) диаметр равен диаметру нижнего штока запорно-регулирующего элемента, то исполнение центрального проходного отверстия седла на участке между уплотнительной фаской и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском с конической поверхностью (с вершиной конуса, направленной в сторону выходного канала) при прочих равных условиях влечет за собой необходимость увеличения диаметра седла и поперечных размеров клапана в целом, что является нерациональным.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, характеризующегося повышенной надежностью герметичного закрытия его проходного сечения в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана), благодаря соответствующему выбору соотношения геометрических размеров запорно-регулирующего элемента (из условия обеспечения постоянного действия результирующей силы давления жидкости на запорно-регулирующий элемент в направлении его седла).

Другой технической задачей изобретения является создание запорно-регулирующего клапана, характеризующегося высокой точностью регулирования расхода рабочей жидкости во всем диапазоне изменения площади проходного сечения клапана, благодаря специальной профилировке боковой поверхности хвостовика запорно-регулирующего элемента (из условия получения равнопроцентной регулировочной характеристики клапана).

Для решения поставленной технической задачи в известном запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском и хвостовиком, связанный с двумя диаметрально расположенными штоками, концы которых через уплотненные отверстия выходят в противоположные стороны за пределы корпуса клапана, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом, согласно изобретению диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а диаметр верхнего штока запорно-регулирующего элемента, расположенного со стороны надклапанной полости, выполнен меньше диаметра нижнего штока, расположенного со стороны выходного канала клапана, и указанные диаметры во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют следующей системе неравенств:

где D_н - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;

d_к.н, D_к.в - соответственно наружний и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла;

d_ш.н, d_ш.в - диаметры соответственно нижнего и верхнего штоков запорно-регулирующего элемента;

D_п.з - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;

Р_пит - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана;

р - давление в выходном канале клапана (0≤р≤р_пит);

σ_min, σ_max - значения соответственно минимального (из условия обеспечения герметичности) и максимального (из условия прочности) допустимых напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла (σ_min>p_пит);

R - усилие, которое необходимо приложить к запорно-регулирующему элементу для перемещения его в направлении седла до соприкосновении с ним из положения, при котором проходное сечение клапана открыто.

Согласно изобретению боковая поверхность хвостовика запорно-регулирующего элемента спрофилирована на основании следующего уравнения, устанавливающего связь между текущим потребным значением диаметра D_z хвостовика и координатой z, отсчитываемой вдоль оси хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента:

где D_п.c - диаметр центрального цилиндрического уплотняющего пояска седла;

D_z - текущее потребное значение диаметра хвостовика;

z - координата, отсчитываемая вдоль оси хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента;

A₀ - начальное значение площади проходного сечения между хвостовиком запорно-регулирующего элемента и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском седла, равное площади кольца, наружный диаметр которого равен диаметру уплотняющего пояска седла, а внутренний - диаметру цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;

δ - допустимая величина относительной погрешности регулирования расхода рабочей жидкости;

Δ - максимальное абсолютное значение погрешности установки запорно-регулирующего элемента клапана в требуемую позицию.

Выполнение диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а диаметра верхнего штока запорно-регулирующего элемента, расположенного со стороны надклапанной полости, меньше диаметра нижнего штока, расположенного со стороны выходного канала клапана, предопределяет при любом значении давления в выходном канале клапана из диапазона от нуля до значения давления во входном канале клапана (давления питания) действие результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент в направлении седла запорно-регулирующего элемента, то есть в направлении закрытия его проходного сечения, и тем самым создает предпосылки для закрытия проходного сечения клапана и обеспечения герметичного разделения его входного и выходного каналов в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана).

Последнее положение подтверждается следующими нижеприведенными выкладками.

При закрытом проходном сечении клапана (при наличии контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла) результирующая сила Р_приж гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, прижимающая его к седлу, очевидно, равна:

Поскольку согласно настоящему изобретению D_н<D_n.з и, по умолчанию, D_n.з<D_к.в<D_к.н, то заведомо имеет место неравенство: D_н<D_к.н - и величина усилия Р_приж при р=0

является строго положительной.

Согласно выражению (4) величина Р_приж линейно зависит от величины давления p с коэффициентом пропорциональности В:

При В=0 величина Р_приж фактически не зависит от давления р и при любом его значении остается постоянной и равной Р_приж.0.

При В>0 величина Р_приж с увеличением значения давления р от нуля до Р_num увеличивается по сравнению с величиной Р_приж.0 и, таким образом, заведомо всегда является положительной.

При В<0 величина Р_приж с увеличением значения давления р от нуля до p_num уменьшается по сравнению с величиной Р_приж.0.

Однако, поскольку при р=р_num в соответствии с выражением (4) величина Р_приж при любом значении В принимает значение Р_{приж.ред}:

а согласно изобретению D_ш.в<D_ш.н, то даже при В<0 и р=р_пит величина Р_приж остается существенно положительной, что и требовалось доказать.

При отсутствии контакта между запорной фаской запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаской седла в первом приближении (при пренебрежении, в частности, дополнительной силой воздействия со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, связанной с изменением количества движения жидкости при прохождении ею через открытое запорно-регулирующим элементом проходное сечение) сила Р_закр, действующая со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент и направленная в сторону его седла, может быть представлена следующим образом:

Поскольку в соответствии с предлагаемым изобретением D_н<D_н.з, то величина усилия Р_закр при p=0

является строго положительной.

Согласно выражению (8) величина Р_закр линейно зависит от величины давления p с коэффициентом пропорциональности С:

Так как D_n.з<D_к.в, то заведомо С>В и, в частности, при В=0 величина С обязательно является положительной.

При С=0 величина Р_закр фактически не зависит от давления р и при любом его значении остается постоянной и равной Р_закр.0.

При С>0 величина Р_закр с увеличением значения давления р от нуля до Р_пит увеличивается по сравнению с величиной Р_закр.0 и, таким образом, очевидно, всегда является положительной.

При С<0 величина Р_закр с увеличением значения давления p от нуля до Р_num уменьшается по сравнению с величиной Р_закр.0.

Однако, поскольку при р=р_num в соответствии с выражением (8) величина Р_закр при любом значении С принимает значение Р_{закр.пред}:

а согласно изобретению D_ш.в<D_ш.н, то даже при С<0 и р=р_num величина Р_закр остается существенно положительной, на что и указывалось выше.

Выполнение диаметров направляющей цилиндрической части, цилиндрического уплотняющего пояска, верхнего и нижнего штоков запорно-регулирующего элемента таким образом, что эти диаметры в дополнение к тому, что они удовлетворяют сформулированным ранее соотношениям, еще и во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют системе неравенств (1), (2), даже при неисправности управляющего привода клапана обеспечивает: во-первых, при закрытом проходном сечении клапана создание на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла напряжений, достаточных для обеспечения герметичного разделения входного и выходного каналов клапана и в то же время не превосходящих значение напряжений, допустимое из условия прочности контактирующих поверхностей [см. неравенство (1)]; во-вторых, при открытом проходном сечении клапана действие на запорно-регулирующий элемент со стороны рабочей жидкости усилия, превышающего соответствующие силы сопротивления и достаточного для перемещения запорно-регулирующего в направлении седла до соприкосновении с ним [см. неравенство (2)].

Таким образом, реализация предлагаемого изобретения гарантирует повышенную надежность герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана).

Следует отметить, что при назначении величины максимального допустимого напряжения σ_max на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла должно учитываться то обстоятельство, что при исправном управляющем приводе клапана он при закрытом проходном сечении клапана обеспечивает дополнительно усилие, прижимающее запорно-регулирующий элемент к седлу (то есть величина σ_max должна быть соответствующим образом занижена по сравнению с предельно возможным значением контактных напряжений для используемых материалов деталей).

Поскольку при увеличении давления р в выходном канале клапана от нуля до значения р_num увеличение контактных напряжений σ между запорной фаской запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаской седла:

не имеет смысла [так как с увеличением давления р перепад давления (р_num - р) на уплотняемом участке уменьшается], то является целесообразным при проектировании запорно-регулирующего клапана в первом приближении исходить из условия соблюдения следующих [более "жестких" по сравнению с неравенством (1)] соотношений:

На основании выражений (12), (13) и (14) получаем следующую формулу для определения потребного значения диаметра D_н направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента:

[диаметры D_к.н и D_к.в в первом приближении выбирают с использованием приведенного ниже соотношения (22) на основании информации о потребном диаметре условного прохода запорно-регулирующего клапана].

Исключив величину D_н из соотношения (13) с использованием формулы (15), приходим к следующему выражению, устанавливающему связь между диаметрами О² _ш.н и D_ш.в

Поскольку D_ш.н>D_ш.в, то целесообразно для связи с выходным звеном управляющего привода клапана использовать нижний шток запорно-регулирующего элемента. При этом данный шток является силовым и его диаметр D_ш.н должен удовлетворять требованиям, проистекающим из условий прочности и продольной устойчивости штока. С другой стороны, диаметр D_ш.в верхнего штока запорно-регулирующего элемента не может быть отрицательным, а при использовании верхнего штока для контроля текущего положения запорно-регулирующего элемента не может быть меньше некоторой величины, назначаемой обычно из конструктивных соображений. Эти дополнительные условия совместно с выражением (16) дают возможность рассчитать конкретные потребные значения диаметров D_ш.н и D_ш.в.

При выполнении соотношения (13), что равносильно равенству: В=0 [см. выражение (6)], автоматически выполняется неравенство:

которое соответствует неравенству: С>0 [см. выражение (10)].

В рассматриваемом случае, как отмечалось выше, величина силы Р_закр, действующей со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент в направлении его седла, с увеличением значения давления р от нуля до р_num увеличивается, и поэтому, если неравенство (2) выполняется при р=0, то оно выполняется во всем диапазоне значений давления p от нуля до р_num. В связи с этим для обеспечения закрытия проходного сечения клапана под действием рабочей жидкости вместо выполнения неравенства (2) достаточно выполнение неравенства:

из которого следует

или с учетом выражения (15)

Так как по умолчанию должно выполняться неравенство D_п.з.<D_кв, то на основании его и неравенства (20) получаем следующее неравенство:

из которого определяем потребное соотношение между диаметрами D_к.н и D_к.в на начальном этапе их выбора:

Полученные в результате расчета значения диаметров подлежат округлению и уточнению (с учетом ряда нормальных значений диаметров подвижных уплотняющих цилиндрических пар, номенклатуры используемых уплотнений и т.д.) и, в конечном итоге, во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана должны удовлетворять системе неравенств (1) и (2).

Выполнение профиля боковой поверхности хвостовика запорно-регулирующего элемента на основании уравнения (3) обеспечивает высокую точность регулирования расхода рабочей жидкости посредством клапана во всем диапазоне изменения площади его проходного сечения.

Для того чтобы относительная погрешность регулирования расхода рабочей жидкости, обусловленная погрешностью установки запорно-регулирующего элемента в требуемую позицию, при фиксированной абсолютной величине максимального значения Δ этой погрешности и прочих равных условиях не превышала по модулю некоторую наперед заданную допустимую величину δ, необходимо, чтобы связь площади А_р.0 проходного сечения рабочего окна, открываемого запорно-регулирующим элементом, с его перемещением y в направлении открытия проходного сечения клапана относительно положения, при котором кромка цилиндрического уплотнительного пояска седла, ближняя к уплотнительной фаске последнего, располагается в плоскости стыка хвостовика и цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента, имела вид (см.: Гойдо М.Е. Гидроаппаратура с пропорциональным электрическим управлением: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2000. - С.29):

Для рассматриваемого клапана определяющее с точки зрения его регулировочной характеристики проходное сечение, открываемое запорно-регулирующим элементом, представляет собой боковую поверхность усеченного конуса, образованную нормалями к боковой профилированной поверхности хвостовика запорно-регулирующего элемента, проведенными из точек кромки цилиндрического уплотнительного пояска седла, ближней к уплотнительной фаске последнего.

При каждом значении перемещения y указанные нормали пересекают боковую профилированную поверхность хвостовика запорно-регулирующего элемента на некотором расстоянии z от плоскости стыка хвостовика с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента, где диаметр хвостовика имеет значение D_z.

С учетом вышесказанного справедливы следующие соотношения:

(здесь β_z - угол, дополняющий до значения 180° угол наклона касательной к боковой профилированной поверхности хвостовика в точке, расположенной на расстоянии z от плоскости стыка хвостовика с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента и лежащей, соответственно, на окружности с диаметром D_z, относительно оси хвостовика в направлении отсчета координаты z).

Приравняв левые части выражений (23) и (24) с учетом соотношений (25), (26) и принимая во внимание то обстоятельство, что

cosβ_z=(1+tgβ_z)^l/2,

получаем

Последнее уравнение (27), устанавливающее связь между текущим потребным значением диаметра D_z хвостовика и координатой z, отсчитываемой вдоль оси хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента, полностью совпадает с уравнением (3).

А поскольку уравнение (27) получено на основании соотношения (23), то идентичность уравнений (27) и (3) доказывает сформулированное выше положение о том, что при выполнении профиля боковой поверхности хвостовика запорно-регулирующего элемента на основании уравнения (3) обеспечивается высокая (с относительной погрешностью, не превышающей заданную допустимую величину δ) точность регулирования расхода рабочей жидкости посредством клапана во всем диапазоне изменения площади его проходного сечения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструктивная схема запорно-регулирующего клапана, на фиг.2 - расчетная схема для определения площади проходного сечения клапана.

Запорно-регулирующий клапан (фиг.1) содержит корпус 1 с присоединительными входным 2 и выходным 3 каналами. В расточке корпуса 1 неподвижно установлены соосные седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском 6, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски 5 седла 4, и проходным отверстием 7 и направляющая гильза 8 с отверстиями 9 со стороны входного канала 2. В направляющей гильзе 8 размещен запорно-регулирующий элемент 10 с соосными направляющей цилиндрической частью 11, буртом 12 с запорной фаской 13, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском 14 и хвостовиком 15, выполненный с двумя диаметрально расположенными верхним 16 и нижним 17 штоками. При контакте запорной фаски 13 запорно-регулирующего элемента 10 и уплотнительной фаски 5 седла 4 ответный цилиндрический уплотняющий поясок 14 запорно-регулирующего элемента 10 образует с центральным цилиндрическим уплотняющим пояском 6 седла 4 золотниковую пару с гарантированным радиальным зазором и положительным перекрытием. Корпус 1 герметично закрыт крышкой 18, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 10 со стороны, противоположной седлу 4 клапана. Запорно-регулирующий элемент 10 установлен с образованием со стороны его бурта 12 входной полости 19, соединенной посредством отверстий 9, выполненных в направляющей гильзе 8, с присоединительным входным каналом 2 клапана, с образованием между боковой поверхностью 20 хвостовика 15 запорно-регулирующего элемента 10 и поверхностью центрального проходного отверстия 7 седла 4 канала 21, соединенного с присоединительным выходным каналом 3 клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента 10 и крышки 18 надклапанной полости 22, сообщенной посредством отверстия 23, выполненного в запорно-регулирующем элементе 10, с присоединительным выходным каналом 3.

Концы верхнего штока 16, расположенного со стороны надклапанной полости 22, и нижнего штока 17, расположенного со стороны выходного канала 3 клапана, через соответствующие уплотненные отверстия, выполненные в крышке 18 и корпусе 1, выходят за пределы корпуса 1 клапана в атмосферу.

Поверхность контакта направляющей цилиндрической части 11 запорно-регулирующего элемента 10 и направляющей гильзы 8 уплотнена посредством уплотнения 24, предотвращающего перетечки рабочей жидкости по радиальному зазору между деталями 10 и 8 их входной полости 19 клапана в его надклапанную полость 22.

Диаметр D_н направляющей цилиндрической части 11 запорно-регулирующего элемента 10 выполнен меньше диаметра D_п.з его цилиндрического уплотняющего пояска 14, а диаметр D_ш.в верхнего штока 16 запорно-регулирующего элемента 10 выполнен меньше диаметра D_ш.н нижнего штока 17, и указанные диаметры во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале 3 клапана удовлетворяют системе неравенств (1) и (2).

Боковая поверхность 20 хвостовика 15 запорно-регулирующего элемента 10 спрофилирована на основании уравнения (3), устанавливающего связь между текущим потребным значением диаметра D_z хвостовика 15 и координатой z, отсчитываемой вдоль оси хвостовика 15 от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском 14 запорно-регулирующего элемента 10 (фиг.2).

Нижний шток 17 запорно-регулирующего элемента 10 является управляющим (силовым) и соединен (предпочтительно без зазора в осевом направлении) с выходным звеном управляющего привода клапана, например, со штоком гидроцилиндра управления (на чертежах управляющий привод и его выходное звено не показаны).

Верхний шток 16 запорно-регулирующего элемента 10 является измерительным и соединен с подвижным звеном датчика перемещения (на чертежах датчик перемещения и его подвижное звено не показаны).

Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом.

При закрытом проходном сечении клапана (при наличии контакта запорной фаски 13 запорно-регулирующего элемента 10 и уплотнительной фаски 5 седла 4) рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент 10 с результирующим усилием Р_приж [см. выражение (4)], направленным в сторону седла 4.

Указанное усилие при любом значении давления р в выходном канале 3 клапана из диапазона от нуля до значения давления во входном канале 2 клапана (давления питания р_num) даже при неисправности управляющего привода клапана обеспечивает создание на поверхности контакта запорной фаски 13 запорно-регулирующего элемента 10 и уплотнительной фаски 5 седла 4 напряжений, достаточных для обеспечения герметичного разделения входного 2 и выходного 3 каналов клапана [см. неравенство (1)]. В то же время (в силу ограниченности максимального значения напряжений, обусловленных действием силы Р_приж) даже при создании с помощью управляющего привода клапана дополнительного усилия, прижимающего запорно-регулирующий элемент 10 к седлу 4, величина напряжений на поверхности контакта запорной фаски 13 и уплотнительной фаски 5 не превосходит значение напряжений, допустимое из условия прочности контактирующих поверхностей.

При смещении запорно-регулирующего элемента 10 относительно седла 4 под действием управляющего привода клапана (на чертежах управляющий привод клапана не показан) на величину, меньшую перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 14 и 6 соответственно запорно-регулирующего элемента 10 и седла 4, давление в пространстве между запорно-регулирующим элементом 10 и седлом 4 на участке, ограниченном указанными цилиндрическими уплотнительными поясками 14 и 6 и входом в зазор между запорной фаской 13 запорно-регулирующего элемента 10 и уплотнительной фаской 5 седла 4, поднимается до величины, равной или близкой к давлению р_пит во входном канале клапана (поскольку зазор между цилиндрическими уплотнительными поясками 14 и 6 обладает большим гидравлическим сопротивлением). При этом результирующая сила, действующая со стороны рабочей жидкости, на запорно-регулирующий элемент 10 уменьшается по величине от значения Р_приж, определяемого по формуле (4), до значения Р_закр, определяемого по формуле (8), но при любом значении давления р в выходном канале 3 клапана из диапазона от нуля до значения давления во входном канале 2 клапана (давления питания р_пит) остается направленной в сторону седла 4 (то есть в сторону закрытия проходного сечения клапана) и достаточной по величине для преодоления соответствующих сил сопротивления и перемещения запорно-регулирующего в направлении седла до соприкосновении с ним [см. неравенство (2)].

Уменьшение результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 10 после отрыва запорной фаски 13 запорно-регулирующего элемента 10 от уплотнительной фаски 5 седла 4 облегчает последующее смещение запорно-регулирующего элемента 10 в направлении открытия проходного сечения клапана и при прочих равных условиях способствует снижению времени, необходимого для открытия проходного сечения.

При смещении запорно-регулирующего элемента 10 относительно седла 4 под действием управляющего привода клапана (на чертежах управляющий привод клапана не показан) на величину, равную или большую перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 14 и 6 соответственно запорно-регулирующего элемента 10 и седла 4, открывается проходное сечение клапана, которое представляет собой боковую поверхность усеченного конуса, образованную нормалями к боковой профилированной поверхности 20 хвостовика 15 запорно-регулирующего элемента 10, проведенными из точек кромки цилиндрического уплотнительного пояска 6 седла 4, ближней к уплотнительной фаске 5 последнего (см. фиг.2). Поскольку боковая поверхность 20 хвостовика 15 спрофилирована на основании уравнения (3), то во всем диапазоне изменения площади проходного сечения предлагаемого запорно-регулирующего клапана обеспечивается относительная погрешность регулирования расхода, не превышающая заданную допустимую величину 8.

Благодаря указанной профилировке боковой поверхности 20 хвостовика 15 обеспечивается плавное расширение канала 21, образованного указанной поверхностью и поверхностью центрального проходного отверстия 7 седла 4, в направлении к выходному каналу 3, что способствует снижению вероятности возникновения при работе клапана кавитации отрывного типа, ведущей к наиболее интенсивному кавитационному износу элементов клапана (см.: Бочаров Ю.А., Денисюк А.К. Совершенствование проточной части клапанных распределителей для гидросистем кузнечно-штамповочных машин ударного действия / Кузнечно-штамповочное производство. - 1974. - №5. - С.31-33).

Так как к началу открытия проходного сечения клапана запорная фаска 13 запорно-регулирующего элемента 10 оказывается смещенной относительно уплотнительной фаски 5 седла 4 на расстояние, равное величине перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 14 и 6, то площадь канала, образованного фасками 13 и 5, после открытия проходного сечения клапана значительно превышает площадь указанного проходного сечения. Благодаря этому фаски 13 и 5 заведомо располагаются вне зоны кавитационных процессов, возможных в проточной части клапана при его работе, и не подвергаются кавитационному износу, что способствует повышению их долговечности.

В штатных условиях работы клапана изменение положения его запорно-регулирующего элемента 10 происходит в строгом соответствии с изменением положения выходного звена управляющего привода клапана (на чертежах управляющий привод и его выходное звено не показаны), соединенного с нижним штоком 17 запорно-регулирующего элемента 10.

При нарушении связи между нижним штоком 17 и выходным звеном управляющего привода клапана и смещении указанного звена в направлении уменьшения площади проходного сечения клапана запорно-регулирующий элемент 10 под действием на него со стороны рабочей жидкости силы Р_закр [см. выражение (8), неравенство (2)] смещается в направлении своего седла 4 до упора в него или до упора штока 17 в выходное звено управляющего привода (в зависимости от того, в какое положение переместилось это звено).

При растормаживании выходного звена управляющего привода (например, из-за исчезновения питания данного привода) запорно-регулирующий элемент 10 под действием на него со стороны рабочей жидкости силы Р_закр [см. выражение (8), неравенство (2)] смещается в направлении своего седла 4 до упора в него, перемещая вместе с собой выходное звено управляющего привода. В результате, проходное сечение запорно-регулирующего клапана закрывается, что позволяет предотвратить аварийные ситуации, связанные с отказом управляющего привода.

Таким образом, реализация изобретения обеспечивает повышенную надежность герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана) и высокую точность регулирования расхода рабочей жидкости с помощью его во всем диапазоне изменения площади проходного сечения клапана.

Запорно-регулирующий клапан может быть использован в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.

Литературные источники

1. Регулирующий клапан: Авторское свидетельство СССР № 1543170. МКИ F16К 47/02. Заявлено 31.03.1987. Опубликовано 15.02.1990.

2. Запорно-регулирующий клапан: Патент РФ № 2103583. МКИ F16К 39/02. Заявлено 01.04.1996. Опубликовано 27.01.1998.

Изобретение относится к области гидравлической аппаратуры и предназначено для плавного регулирования расхода рабочей жидкости. В запорно-регулирующем клапане диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска. Диаметр верхнего штока запорно-регулирующего элемента, расположенного со стороны надклапанной полости, выполнен меньше диаметра нижнего штока, расположенного со стороны выходного канала клапана. Указанные диаметры во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют системе неравенств. Изобретение позволяет повысить надежность герметичного закрытия проходного сечения клапана в нештатных ситуациях, а также повысить точность регулирования расхода рабочей жидкости во всем диапазоне изменения площади проходного сечения клапана. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больше внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском и хвостовиком, связанный с двумя диаметрально расположенными штоками, концы которых через уплотненные отверстия выходят в противоположные стороны за пределы корпуса клапана, при этом корпус клапана герметично закрыт крышкой, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной седлу клапана, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом, отличающийся тем, что диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а диаметр верхнего штока запорно-регулирующего элемента, расположенного со стороны надклапанной полости, выполнен меньше диаметра нижнего штока, расположенного со стороны выходного канала клапана, и указанные диаметры во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют следующей системе неравенств:

где D_н - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;

d_к.н, D_к.в - соответственно наружний и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла;

D_ш.н, D_ш.в - диаметры соответственно нижнего и верхнего штоков запорно-регулирующего элемента;

D_п.з - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;

P_пит - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана;

р - давление в выходном канале клапана (0≤p≤p_пит);

σ_min, σ_max - значения соответственно минимального (из условия обеспечения герметичности) и максимального (из условия прочности) допустимых напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорнорегулирующего элемента и уплотнительной фаски седла (σ_min>_пит);

R - усилие, которое необходимо приложить к запорно-регулирующему элементу для перемещения его в направлении седла до соприкосновении с ним из положения, при котором проходное сечение клапана открыто.

где D_n.c - диаметр центрального цилиндрического уплотняющего пояска седла;

D_z - текущее потребное значение диаметра хвостовика;

z - координата, отсчитываемая вдоль оси хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента;

А₀ - начальное значение площади проходного сечения между хвостовиком запорно-регулирующего элемента и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском седла, равное площади кольца, наружный диаметр которого равен диаметру уплотняющего пояска седла, а внутренний - диаметру цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;

σ - допустимая величина относительной погрешности регулирования расхода рабочей жидкости;

Δ - максимальное абсолютное значение погрешности установки запорно-регулирующего элемента клапана в требуемую позицию.