ГАЗОСТАТ Российский патент 2012 года по МПК B22F3/15 F16K1/48 F16K25/02 

Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дискретных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 500 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата. Основными компонентами газостата являются:

- собственно газостат, включающий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину;

- газовая и вакуумная системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере машины;

- системы нагрева и охлаждения,

- а также система управления.

Эффективность работы газостата зависит главным образом от производительности и надежности его главной системы - газовой. В свою очередь качественный уровень работы последней определяется производительностью газового привода, а именно пропускной способностью и надежностью газовой аппаратуры и трубопровода, по которым в процессе выполнения технологических операций перемещается рабочая среда. При этом технологические операции, связанные с работой газового привода машины, такие как многократное вакуумирование рабочей камеры, создание в ней необходимого давления и снижение давления в камере до атмосферного составляют от 50 до 70% общего времени рабочего цикла газостата. В связи с этим разработка и использование надежно работающей газовой аппаратуры, высокого давления с увеличенным до 10-15 мм условным проходом является важнейшей задачей при создании современных промышленных газостатов с объемом рабочей камеры, достигающим нескольких кубических метров.

Запорные клапаны газовой системы газостатов с небольшим объемом рабочей камеры и условным проходом 3-5 мм выполняются по схеме прямого действия. В этом случае в исходном (закрытом) положении клапана пружины должны создавать усилие, достаточное для:

- компенсации (восприятия) осевой нагрузки рабочей среды высокого давления на иглу с гладким стержнем, диаметр которого больше диаметра условного прохода клапана;

- и создания необходимых контактных давлений на рабочей кромке пары «седло-игла», обеспечивающих внутреннюю герметичность клапана.

В случае применения запорных клапанов с увеличенным условным проходом критически возрастает осевая нагрузка рабочей среды на иглу. Так, при рабочем давлении газостата 200 МПа в клапане с условным проходом Ду=5 мм она составляет 390 кг, а в клапане с Ду=15 мм - 3530 кг, т.е. - увеличивается почти в 10 раз, что вызывает необходимость использования пружин большой жесткости, а значит и увеличенных габаритов. При этом пропорционально растет диаметр поршня цилиндра сервопривода, необходимого для сжатия такой пружины при открытии клапана, а также его габариты, металлоемкость и масса. В этой связи ВНИИМЕТМАШем - единственным разработчиком промышленного газостатического оборудования в России - созданы запорные клапаны с увеличенным условным проходом, в которых перечисленные недостатки исключены за счет использования новых конструктивных решений.

Аналогом заявляемого изобретения является газостат, описанный Авторским свидетельством №1748940, бюллетень №27 от 23.07 1992 г. Газостат-аналог содержит контейнер, закрытый по торцам пробками с герметизирующими уплотнениями. В верхней и нижней пробках выполнены газовые вводы, соединенные через систему газовых запорных клапанов с источником давления (компрессором), баллонной станцией, контрольно-измерительной аппаратурой и атмосферой. Для выполнения технологических операций рабочего цикла газовая система оснащена унифицированными нормально закрытыми клапанами с увеличенным (Ду=15 мм) условным проходом.

Несмотря на то, что применение газового цилиндра разгрузки в конструкции клапана газостата-аналога позволило значительно уменьшить его габариты и металлоемкость по сравнению с аналогичными параметрами клапана прямого действия, в котором игла не уравновешена, недостатком является то, что диаметральный размер клапана определяется расположением прижимных пружин на периферии поршня сервопривода за пределом наружного диаметра цилиндра разгрузки. Другой недостаток заключается в том, что цилиндр разгрузки установлен на верхнем фланце клапана, вследствие чего увеличиваются общая высота, металлоемкость, а также стоимость. К недостаткам клапана аналога следует также отнести использование в качестве седла отдельной линзы, образующей с корпусом два дополнительных трудно уплотняемых стыка и снижающей возможность обеспечения внутренней герметичности клапана.

Прототипом изобретения является газостат, описанный патентом РФ №2354500 от 22.06.2007 года. Газостат-прототип содержит силовую станину, контейнер, закрытый по торцам пробками, запорные газовые клапаны, компрессор и баллонную станцию. Для управления потоками газа при выполнении технологических операций используются унифицированные нормально закрытые клапаны с увеличенным условным проходом. Седло клапана, на острую кромку которого опирается конус иглы, образовано расточками подклапанной и надклапанной полостей. Газовый цилиндр разгрузки, соединенный капилляром высокого давления с подклапанной полостью, установлен внутри прижимной пружины, в пределах ее габаритов, и направлен в сторону поршня сервопривода. Шток цилиндра разгрузки опирается на шток сервопривода. Использование газового цилиндра позволило сбалансировать систему «игла клапана - шток цилиндра разгрузки» давлением рабочей среды. Диаметр штока цилиндра разгрузки больше условного прохода клапана, равного диаметру стержня иглы. При этом игла прижимается к седлу дополнительным усилием штока цилиндра разгрузки, обеспечивая надежную внутреннюю герметичность клапана.

Существенным недостатком конструкции как аналога, так и прототипа является то, что шток газового цилиндра разгрузки и шток сервопривода не имеют жесткой связи, а свободно опираются торцевыми поверхностями. При открытии клапана с помощью сервопривода игла и шток цилиндра разгрузки перемещаются в верхнее положение. После сброса рабочего давления в надклапанной и подклапанной полостях, а следовательно и в цилиндре разгрузки, а также давления управления в сервоприводе игла усилием пружины возвращается в исходное (закрытое) положение, создавая расчетные контактные давления на кромке седла. При этом шток газового цилиндра разгрузки за счет трения в блоке его уплотнений остается в верхнем положении, а между торцами штоков образуется зазор, равный величине хода поршня сервопривода. Подача давления рабочего газа в подклапанную полость (под иглу) и соединенный с ней цилиндр разгрузки, особенно в диапазоне низких давлений, не способных преодолеть усилие трения в блоке уплотнений штока цилиндра разгрузки и привести его в контакт со штоком сервопривода, вызывает снижение контактных давлений в паре «игла - седло» и нарушение внутренней герметичности клапана. Такое «неуправляемое» состояние клапанов газовой системы машины не позволяет надежно выполнять штатные операции рабочего цикла и может привести к созданию аварийной ситуации с тяжелыми последствиями, учитывая огромный запас энергии сжатого газа промышленных газостатов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и нанопорошковых материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды при температуре до 2000°С на базе надежной запорной аппаратуры газовой системы.

Технический результат предлагаемого изобретения, заключающийся в:

- создании эффективной газовой системы с повышенным до 500 МПа рабочим давлением;

- уменьшении времени создания заданного давления в контейнере и откачивания газа из него в конце рабочего цикла;

- существенном снижении ее металлоемкости и стоимости;

- повышении производительности газостата и снижении стоимости выпускаемой продукции;

достигается тем, что газовая система газостата оснащена газовым трубопроводом и компактной запорной аппаратурой с увеличенным условным проходом, выполненной в виде нормально закрытого клапана с цилиндром разгрузки, установленным внутри пружины малой жесткости, рассчитанной только на создание необходимых контактных давлений в паре «игла - седло», а шток газового цилиндра разгрузки которого жестко связан со штоком сервопривода.

Конструкция предлагаемого газостата представлена на фигурах 1-3, где:

на фиг.1 показан газостат с фрагментом газовой системы;

на фиг.2 изображен нормально закрытый клапан с газовым цилиндром разгрузки, увеличенным условным проходом и жестко соединенными штоками газового цилиндра разгрузки и сервопривода;

на фиг.3 приведена опорная часть штоков газового цилиндра и сервопривода - сечение А-А по фиг.2 (два варианта).

Газостат содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, нормально закрытые клапаны 6, 7, 8 и 9, газовый компрессор 10 и баллонную станцию 11. Для управления потоками рабочей среды при выполнении технологических операции рабочего цикла клапаны 6, 7, 8 и 9 соединены между собой и с другими компонентами газовой системы трубопроводом 12, при этом газовый ввод 13 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке 4. Клапан (фиг.2) содержит корпус 14, в котором расточки надклапанной 15 и подклапанной 16 полостей образуют острую кромку 17 седла, на которую в закрытом состоянии клапана опирается игла 18. Гидравлический или пневматический сервопривод 19 соединен с корпусом 14 шпильками 20. Сервопривод состоит из гильзы 21, поршня 22, верхней 23 и нижней 24 крышек, закрепленных внутри гильзы с помощью пружинных колец 25. Клапан открывается при подаче пневмо- или гидросреды управления под поршень 22. На верхней крышке установлен стакан 26, внутри которого располагается прижимная пружина 27. Усилие воздействия пружины на иглу 18, передаваемое поршнем 22 через шток 28, регулируется винтами 29. Газовый цилиндр разгрузки 30 установлен внутри пружины с помощью быстроразъемного байонетного соединения 31 со стаканом 26 с радиальнным зазором 32, позволяющим избежать перекоса и заклинивания поршня 22 при его перемещении внутри гильзы 21 сервопривода 19. Шток 33 цилиндра разгрузки 30 нижним концом опирается на шток 28 сервопривода 19 и жестко соединены друг с другом с помощью резьбового хвостовика 34. Форма контакта штоков может быть плоской 35 или криволинейной 36, например сферической, позволяющей увеличить площадь контакта штоков и снизить величину контактных напряжений.

Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 1 сдвинута с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в рабочее пространство камеры газостата. Силовая станина устанавливается на оси контейнера. В сервопривод клапана 8 подается давление управления, клапан открывается, и газ самотеком поступает из баллонов 11 в контейнер. После выравнивания в них давления клапан 8 закрывается. Затем открываются клапаны 7, 9 и с помощью компрессора 10 давление в контейнере поднимается до заданной величины. Далее компрессор останавливается, а клапаны 7 и 9 закрываются. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение необходимого времени. Затем рабочее пространство камеры с заготовкой охлаждается. Открывается клапан 8 и газ самотеком перетекает из контейнера 3 в баллоны 11. Оставшийся газ через открытый клапан 6 выпускают из контейнера в баллонную станцию низкого давления (не показана) или в атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 1 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 5, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него, а цикл повторяется.

Таким образом оснащение газостата нормально закрытыми клапанами с увеличенным условным проходом, у которых шток цилиндра разгрузки жестко связан со штоком сервопривода, позволяет:

- обеспечить гарантированную внутреннюю герметичность клапана в любом диапазоне давлений рабочего цикла и создать надежную газовую систему машины;

- создать надежный и высокопроизводительный промышленный газостат;

- уменьшить время выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды по газовому трубопроводу и через запорную аппаратуру с повышенной пропускной способностью;

- сократить общее время рабочего цикла, увеличить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.

Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дискретных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 500 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата. Газостат содержит силовую станину и контейнер с пробками, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с газовой системой, включающей запорные клапаны с увеличенным условным проходом, содержащие стакан, цилиндр разгрузки со штоком, установленный внутри пружины малой жесткости, создающей необходимые контактные давления в паре «игла - седло», и сервопривод со штоком. Штоки газового цилиндра разгрузки и сервопривода, выполнены контактирующими между собой и соединены между собой жестко. В частном варианте штоки цилиндра разгрузки и сервопривода могут быть выполнены с плоской или криволинейной формой контакта. Байонетное соединение цилиндра разгрузки и стакана клапана может быть выполнено с радиальным зазором. Технический результат заключается в обеспечении внутренней герметичности клапана в любом диапазоне давлений рабочего цикла газостата. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газостат, содержащий силовую станину и контейнер с пробками, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с газовой системой, включающей запорные клапаны с увеличенным условным проходом, содержащие стакан, цилиндр разгрузки со штоком, установленный внутри пружины малой жесткости, создающей необходимые контактные давления в паре «игла-седло», и сервопривод со штоком, при этом штоки газового цилиндра разгрузки и сервопривода выполнены контактирующими между собой и соединены, отличающийся тем, что штоки газового цилиндра и сервопривода соединены между собой жестко.

2. Газостат по п.1, отличающийся тем, что штоки цилиндра разгрузки и сервопривода выполнены с плоской формой контакта.

3. Газостат по п.1, отличающийся тем, что штоки цилиндра разгрузки и сервопривода клапана выполнены с криволинейной формой контакта.

4. Газостат по п.1, отличающийся тем, что соединение цилиндра разгрузки и стакана клапана выполнено байонетным с радиальным зазором.