УПЛОТНЕНИЕ ЗАПОРНОГО ОРГАНА ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ Российский патент 2018 года по МПК F16J15/453 F16K5/06 

Изобретение относится к судовым системам гидравлики, в частности к шаровому крану, применяемому в качестве запорной арматуры, устанавливаемой в трубопровод гидросети.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известен шаровой кран по патенту РФ №102727, содержащий изготовленный из термопластичного полимерного материала корпус с двумя элементами подсоединения к трубопроводу с его противоположных сторон, полости которых соединены выполненным в корпусе проходным каналом, шаровой затвор со сквозным каналом, изготовленную из металлического сплава и расположенную в корпусе обойму с проходными отверстиями, открытыми в проходной канал корпуса, в которой установлен шаровой затвор с возможностью поворота и с уплотнением кольцами, сопряженными с его боковой поверхностью, установленными в обойме по периметрам обоих проходных отверстий, шток, установленный в корпусе с сопряжением через отверстие в обойме одним концом с шаровым затвором и выходом второго конца наружу корпуса для принудительного поворота шарового затвора с целью перекрытия проходного канала корпуса.

Использование в известной конструкции уплотнения шарового затвора в виде обоймы из металлического сплава повышает стоимость шарового крана за счет необходимости использование трудоемких технологических операций формообразования детали из металлического сплава.

Известно уплотнение запорного органа шарового крана по патенту РФ №84937, который содержит корпус с впускным и выпускным участками для протекания рабочей среды, сообщающиеся между собой через разделяющую рабочую камеру, в которой установлен шаровой запорный орган со сквозным отверстием, снабженный средством для поворота в вертикальной плоскости на угол 90°, по обеим сторонам шарового запорного органа расположены подвижные упругонагруженные поджимными устройствами седла-уплотнители, выполненные из полимерного материала с центральными вогнутыми участками, полностью соприкасающимися с поверхностью шарового запорного органа, установленные в металлические обоймы, одна из которых расположена в цилиндрической расточке корпуса, а другая - в цилиндрической расточке патрубка, подсоединенного к впускному отверстию, отличающееся тем, что в указанных седлах-уплотнителях и обоймах выполнены сообщающиеся между собой дренажные каналы, которые расположены в плоскости, поперечной оси шарового запорного органа симметрично относительно этой оси, и связывают впускной участок внутренней полости шарового крана с рабочей камерой.

Данное техническое решение как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату принято в качестве его прототипа.

Недостаток прототипа заключается в его низкой надежности, поскольку герметичность крана может быть нарушена вследствие выдавливания уплотнения из обоймы на начальном этапе движения запорного шарового крана из положения «закрыто» в положение «открыто» из-за отсутствия давления в рабочей камере крана к моменту его открытия.

Задачей заявляемого изобретения является повышение герметичности, а следовательно, надежности крана.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению уплотнение запорного органа трубопроводной арматуры, отличается тем, что оно выполнено из полимерного материала с коэффициентом термического расширения, выровненным до уровня коэффициента термического расширения запорного органа и корпуса трубопроводной арматуры путем добавления в его состав микро- или нанокерамических порошков с размером менее 1 мкм и их объемным содержанием от 10 до 70%.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- в качестве полимерного материала уплотнения может быть использован полиуретан;

- в качестве микро- или нанокерамических порошков может быть использован нитрид кремния крупностью 500 нанометров;

- в качестве микро- или нанокерамических порошков может быть использован нитрид алюминия крупностью 500 нанометров.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что заявленный состав уплотнения не увеличивает коэффициент трения и в то же время снижает деформацию под давлением.

Заявленное уплотнение работает следующим образом.

Коэффициент термического расширения полиуретанов при нормальных условиях составляет около 57×10^-6/с^-1, а коэффициент термического расширения используемых совместно с ними в одних изделиях нержавеющих аустенитных сталей, например 08х18н10т, составляет при нормальных условиях 17×10^-6/с^-1. При повышении температуры полиуретановые детали будут расширяться опережающе, создавая избыточную нагрузку. Введение в состав полиуретанов наполнителей больших по размеру, чем 3 мкм, ухудшает коэффициент трения и механические свойства полученного композита. Поэтому основой заявленного решения является снижение коэффициента термического расширения композита путем наполнения его керамическими микро- или нанопорошками с низким коэффициент термического расширения и химически инертными.

По результатам испытаний выявлено, что керамические частицы с размерами менее 1 мкм не ухудшают коэффициента трения по сравнению с исходным материалом.

В качестве наполнителей выбраны нитрид кремния с коэффициентом термического расширения 3.4×10^-6/с^-1 и нитрид алюминия с коэффициентом термического расширения 3.3× 10^-1/с^-1. При введении 10% об. керамики механические свойства не изменяются, но коэффициент термического расширения композита уменьшается незначительно (не более 10%), но при введении от 30 до 50% об. коэффициент термического расширения композита уменьшался до 2 раз. Возможности деформации в упругой зоне ухудшались, но оставались приемлемыми. При повышении содержания до 70% при многоцикловых нагрузках происходит разрушение образца. Соответственно, оптимальными значениями армирования композита является интервал от 30 до 50% керамики размером 1 мкм и менее до 400-500 нм.

Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.

Уплотнение запорного органа трубопроводной арматуры относится к судовым системам гидравлики, в частности к шаровому крану, применяемому в качестве запорной арматуры, устанавливаемой в трубопровод гидросети. Уплотнение выполнено из полимерного материала с коэффициентом термического расширения, выровненным до уровня коэффициента термического расширения запорного органа и корпуса трубопроводной арматуры путем добавления в его состав микро- или нанокерамических порошков с размером менее 1 мкм и их объемным содержанием от 10 до 70%. Заявленный состав уплотнения не увеличивает коэффициент трения и в то же время снижает деформацию под давлением. 3 з.п. ф-лы.

1. Уплотнение запорного органа трубопроводной арматуры, отличающееся тем, что оно выполнено из полимерного материала с коэффициентом термического расширения выровненным до уровня коэффициента термического расширения запорного органа и корпуса трубопроводной арматуры путем добавления в его состав микро- или нанокерамических порошков с размером менее 1 мкм и их объемным содержанием от 10 до 70%.

2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что в качестве полимерного материала использован полиуретан.

3. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что в качестве микро- или нанокерамических порошков использован нитрид кремния крупностью 500 нанометров.

4. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что в качестве микро- или нанокерамических порошков использован нитрид алюминия крупностью 500 нанометров.