ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН Российский патент 2022 года по МПК F16K1/04 F16K47/02 

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, регулирующим хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего 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, запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, одна из двух полостей, образованных этим поршнем с корпусом и крышкой клапана, является надклапанной, а другая соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента. См. Запорно-регулирующий клапан, Патент РФ № 96924, МПК F16K39/02, F16K47/02, заявлено 03.02.2009, опубликовано 20.08.2010.

Недостатком известного запорно-регулирующего клапана является наличие поперечных высокочастотных вибраций запорно-регулирующего элемента с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком. Это обусловлено тем, что положение запорно-регулирующего элемента во входной полости свободное. Поперечные вибрации запорно-регулирующего элемента приводят к износу и увеличению зазора между цилиндрической частью запорно-регулирующего элемента и внутренней поверхностью расточки корпуса и вымыванию уплотнений. Недостатком клапана является также отсутствие фильтрующего элемента, препятствующего прохождению мусора и отсутствие прижима седла клапана. Все это отрицательно сказывается на работе клапана в целом и снижает его надежность.

Кроме того, клапан имеет следующие недостатки. Для обеспечения функции самозакрытия клапана в нештатных ситуациях, диаметр штока клапана должен не превышать определенную величину. Однако, при уменьшении диаметров проходного сечения клапана существенно уменьшается диаметр штока клапана. Это, в конечном итоге, приводит к снижению надёжности работы клапана, прочности и жесткости запорно-регулирующего элемента при уменьшении диаметра проходного сечения, что снижает работоспособность клапана.

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, регулирующим хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего 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, при этом запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, одна из двух полостей, образованных этим поршнем с корпусом и крышкой клапана, является надклапанной, а другая соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента, кроме того во входной полости клапана установлена соосная запорно-регулирующему элементу с буртом цилиндрическая втулка с радиальными отверстиями, при этом цилиндрическая втулка установлена в контакте с торцевой поверхностью седла и с противоположной ей поверхностью входной полости, а цилиндрическая поверхность бурта запорно-регулирующего элемента установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки. См. Запорно-регулирующий клапан, Патент РФ № 208 659, МПК F16K39/02, F16K47/02, заявлено 26.04.2021, опубликовано 29.12.2021.

Данный запорно-регулирующий клапан обеспечивает фильтрование рабочей жидкости, а также исключает поперечные высокочастотные вибрации запорно-регулирующего элемента путем введения в конструкцию клапана соосной запорно-регулирующему элементу цилиндрической втулки с радиальными отверстиями.

Недостатком указанного запорно-регулирующего клапана является жёсткое ограничение, накладываемое на величину диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента определяемое зависимостью:

как необходимое условие выполнения надежного герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях.

Здесь

D_н - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего

элемента;

D_п.з. - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента, принимается на основании информации о потребном диаметре Dy условного прохода запорно-регулирующего клапана (Dn.з≈ Dy) или о его потребной пропускной способности при заданном перепаде давления;

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

Р_приж – значение результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий, элемент прижимающей его к седлу необходимое для обеспечения герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана.

Однако это приводит либо к существенному уменьшению диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, либо к снижению величины силы, прижимающей запорно-регулирующий элемент к седлу.

Уменьшение диаметра негативно отражается на прочностных характеристиках запорно-регулирующего элемента, в частности, уменьшение запаса устойчивости от действия осевой силы сжатия на участке цилиндрической направляющей запорно-регулирующего элемента, а также уменьшение жёсткости участка цилиндрической направляющей запорно-регулирующего элемента при действии на него гидродинамических сил в поперечном оси клапана направлении.

Снижение величины силы, прижимающей запорно-регулирующий элемент к седлу приводит к снижению напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла и, как следствие, ухудшению герметичности разделения входного и выходного каналов в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана).

Таким образом, выбор величины диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, требует компромиссного решения в достаточно узком диапазоне значений, тем более трудно реализуемого, чем меньше диаметр условного прохода запорно-регулирующего клапана.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, обладающего при фиксированном значении площади проходного сечения повышенной надежностью герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях, не ограниченных при этом величиной диаметра условного прохода клапана без снижения прочностных характеристик запорно-регулирующего элемента клапана, что обеспечивает повышенную надёжность работы клапана.

Для решения поставленной задачи в известном запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого установлено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском и проходным отверстием, в расточке корпуса размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, сопрягающейся с запорной фаской по наружному диаметру, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, при этом конец штока через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, в расточке корпуса выполнена входная полость, соединённая с входным каналом, в которой установлена соосная запорно-регулирующему элементу с цилиндрической направляющей, цилиндрическая втулка с радиальными отверстиями, кроме того, запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу расточки корпуса, с возможностью скольжения поршня по внутренней поверхности расточки, поршень с расточкой корпуса и

крышкой образует полость, которая соединена с выходным каналом посредством отверстия, и полость, которая соединена с дренажным отверстием, согласно изобретению цилиндрическая поверхность направляющей запорно-регулирующего элемента установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки, поршень выполнен двухступенчатым, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу расточки корпуса, выполненной двухступенчатой, с возможностью скольжения поршня по обеим внутренним поверхностям расточки, при этом диаметр поршня первой ступени, ближнего к входному отверстию, превышает диаметр поршня второй ступени, более удаленного от входного отверстия, поршень корпуса образует в первой ступени расточки корпуса полость, которая соединена с входным каналом посредством отверстия.

Выполнение цилиндрической поверхности направляющей запорно-регулирующего элемента с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки и выполнение поршня запорно-регулирующего элемента двухступенчатым позволяет при фиксированном значении площади проходного сечения повысить надежность герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях не ограниченных при этом величиной диаметра условного прохода клапана без снижения прочностных характеристик запорно-регулирующего элемента клапана, что обеспечивает повышенную надёжность работы клапана.

При этом диаметр поршня первой ступени, ближнего к входному отверстию превышает диаметр поршня второй ступени, более удаленного от входного отверстия, образуя, таким образом два гидроцилиндра, один, из которых, (нижний) под действием постоянного давления питания р_пит создаёт постоянно действующую силу, передаваемую на запорно-регулирующий элемент и направленную в сторону седла, что устраняет необходимость выполнять соответствующие поверхности непосредственно на запорно-регулирующем элементе, и уменьшать, тем самым, диаметр его цилиндрической направляющей части. Сила, создаваемая вторым (верхним) гидроцилиндром под действием давления в выходном канале клапана р_вых, и передаваемая на запорно-регулирующий элемент и направленная в сторону седла, уравновешивает силу, создаваемую действием давления р_вых в выходном канале клапана непосредственно на запорно-регулирующий элемент.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена конструктивная схема запорно-регулирующего клапана.

Запорно-регулирующий клапан содержит корпус 1 с присоединительными входным и выходным каналами 2, 3 (соответственно). В расточке корпуса 1 установлено седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском 6 и проходным отверстием 7. В расточке корпуса 1 размещен запорно-регулирующий элемент 8 с соосными направляющей цилиндрической частью 9, сопрягающейся с запорной фаской 10 по наружному диаметру 11, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском 12, регулирующим хвостовиком 13 и штоком 14. Конец штока 14 через уплотненное отверстие в крышке 15, герметично закрывающей корпус 1 клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 8 со стороны, противоположной его седлу 4, выходит за пределы корпуса 1 клапана. В расточке корпуса 1 выполнена входная полость 16, соединённая с входным каналом 2 Во входной полости 16 установлена соосная запорно-регулирующему элементу 8 с цилиндрической направляющей 9 цилиндрическая втулка 17 с радиальными отверстиями 18. Запорно-регулирующий элемент 8 выполнен с жестко соединенным с ним поршнем 19, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу 8 расточки 20 корпуса 1, с возможностью скольжения поршня 19 по внутренней поверхности расточки 20. Поршень 19 с расточкой 20 корпуса 1 и крышкой 15 образует полость 21, которая соединена с выходным каналом 3 посредством отверстия 22, и полость 23, которая соединена с дренажным отверстием 24. При этом цилиндрическая поверхность направляющей 9 запорно-регулирующего элемента 8 установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки 17. Поршень 19 выполнен двухступенчатым, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу 8 расточки 20 корпуса 1, выполненной также двухступенчатой, с возможностью скольжения поршня 19 по обеим внутренним поверхностям расточки 20. При этом диаметр поршня 19 первой ступени 25, ближнего к входному отверстию 2, превышает диаметр поршня второй ступени 26, более удаленного от входного отверстия 2. Поршень 19 корпуса 1 образует в первой ступени расточки 20 корпуса 1 полость 27, которая соединена с входным каналом 2 посредством отверстия 28.

Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом.

При закрытом проходном сечении клапана (при наличии контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент 8 с результирующим усилием Р_к, направленным в сторону противоположную седлу 4.

где А_к= π(D_н²-D_к.н.²)/4 - эффективная площадь, выступающей за наружный диаметр поверхности контакта, части запорной фаски 10.

D_н - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента 8.

D_к.н. - наружный диаметр поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4;

р_пит - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана.

Поскольку D_н≈D_к.н. и их разность обусловлена технологией изготовления, в частности технологией совместной притирки уплотнительной фаски 5 седла 4

и запорно-регулирующего элемента 8, площадь А_к достаточно мала и в большинстве случаев может не приниматься во внимание.

Кроме указанной силы, действующей на запорно-регулирующий элемент 8 непосредственно от рабочей жидкости с давлением р_пит, жидкость действует на эффективную поверхность поршня 19 первой ступени 25 с усилием Р_п1, передаваемое от поршня 19 на запорно-регулирующий элемент 8. Сила Р_п1 направлена в сторону седла 4, определяется как:

где А_п1 =π(D_п1²-D_п2²)/4 - эффективная площадь поршня 19 первой ступени 25,

D_п1- диаметр поршня 19 первой ступени 25,

D_п2- диаметр поршня 19 второй ступени 26.

Результирующая сила, прижимающая запорно-регулирующий элемент 8 к седлу 4 определяется как разность сил Р_п1 и Р_к:

Контактное напряжение между фаской 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаской 5 седла 4 определяется выражением:

где D_к.н., D_к.в -соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4.

Значение площади А_п1 выбирается из условия создания контактного напряжения между фаской 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаской 5седла 4, с учётом действия силы Р_к, действующей в противоположном направлении, достаточного для обеспечения герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана, определяется выражением:

Согласно выражению (3) величина силы Р_п1, создаваемой поршнем 19 первой ступени 25 линейно зависит от величины давления р_пит и сохраняет значение на всём диапазоне открытия запорно-регулирующего элемента 8.

При открытом проходном сечении клапана (при отсутствии контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 (при пренебрежении, в частности, дополнительной силой воздействия

со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 8, связанной с изменением количества движения жидкости при прохождении ею через открытое запорно-регулирующим элементом 8 проходное сечение) рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент 8 с результирующим усилием Р_к,

где A_н - площадь поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента 8, A_н = π D_н² /4

р_вых - давление в выходном канале клапана изменяется от 0 до р_пит.

Сила Р_к уравновешивается силой действия рабочей жидкости с давлением р_вых на эффективную площадь второй ступени 26, для чего должно быть выполнено условие:

А_н=А_п2

D_шт – диаметр штока 14 запорно-регулирующего элемента 8.

Таким образом, запорно-регулирующий элемент находится в гидростатическом равновесии от действия давления рабочей жидкости в выходном канале клапана р_вых, при любом его значении из указанного выше диапазона его изменения. Давление во входном канале клапана (давления питания) р_пит создаёт силу Р_п1, постоянно действующую на запорно-регулирующий элемент, в направлении его седла, 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). При растормаживании выходного звена управляющего привода (например, из-за исчезновения питания данного привода) запорно-регулирующий элемент под действием на него со стороны рабочей жидкости силы Р_п1 смещается в направлении своего седла 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.

При этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента не ограничен величиной диаметра условного прохода запорно-регулирующего клапана и принимает максимальное, для данного условного прохода, значение чем обеспечиваются повышенные прочностные характеристики клапана и увеличение межремонтного срока службы клапана. Отсутствие в конструкции запорно-регулирующего элемента бурта, диаметр которого превышает диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, упрощает конструкцию запорно-регулирующего клапана, его изготовление и сборку (то есть повышает его технологичность). Запорно-регулирующий клапан может быть использован в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.

Изобретение относится к запорно-регулирующему клапану. Клапан содержит корпус 1 с присоединительными входным и выходным каналами 2, 3. В расточке корпуса 1 установлено седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском 6 и проходным отверстием 7. В расточке корпуса 1 размещен запорно-регулирующий элемент 8 с соосными направляющей цилиндрической частью 9, сопрягающейся с запорной фаской 10 по наружному диаметру 11, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском 12, регулирующим хвостовиком 13 и штоком 14. Конец штока 14 через уплотненное отверстие в крышке 15, герметично закрывающей корпус 1 и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 8 со стороны, противоположной седлу 4, выходит за пределы корпуса 1 клапана. В расточке корпуса 1 выполнена входная полость 16, соединенная с входным каналом 2. Во входной полости 16 установлена соосная запорно-регулирующему элементу 8 с цилиндрической направляющей 9 цилиндрическая втулка 17 с радиальными отверстиями 18. Запорно-регулирующий элемент 8 выполнен с жестко соединенным с ним поршнем 19, размещенным внутри соосной запорно-регулирующему элементу 8 расточки 20 корпуса 1, с возможностью скольжения поршня 19 по внутренней поверхности расточки 20. Поршень 19 с расточкой 20 корпуса 1 и крышкой 15 образует полость 21, которая соединена с выходным каналом 3 посредством отверстия 22, и полость 23, которая соединена с дренажным отверстием 24. При этом цилиндрическая поверхность направляющей 9 запорно-регулирующего элемента 8 установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки 17. Поршень 19 выполнен двухступенчатым, размещенным внутри соосной запорно-регулирующему элементу 8 расточки 20 корпуса 1, выполненной также двухступенчатой, с возможностью скольжения поршня 19 по обеим внутренним поверхностям расточки 20. При этом диаметр ступени 25 поршня 19, ближнего к входному отверстию 2, превышает диаметр поршня ступени 26, более удаленного от входного отверстия 2. Поршень 19 корпуса 1 образует в первой ступени расточки 20 корпуса 1 полость 27, которая соединена с входным каналом 2 посредством отверстия 28. Область применения: область гидравлической аппаратуры. Техническим результатом является создание запорно-регулирующего клапана, обладающего при фиксированном значении площади проходного сечения повышенной надежностью. 1 ил.

Запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого установлено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском и проходным отверстием, в расточке корпуса размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, сопрягающейся с запорной фаской по наружному диаметру, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, при этом конец штока через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, в расточке корпуса выполнена входная полость, соединённая с входным каналом, в которой установлена соосная запорно-регулирующему элементу с цилиндрической направляющей цилиндрическая втулка с радиальными отверстиями, кроме того, запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу расточки корпуса, с возможностью скольжения поршня по внутренней поверхности расточки, поршень с расточкой корпуса и крышкой образуют полость, которая соединена с выходным каналом посредством отверстия, и полость, которая соединена с дренажным отверстием, отличающийся тем, что цилиндрическая поверхность направляющей запорно-регулирующего элемента установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки, поршень выполнен двухступенчатым, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу расточки корпуса, выполненной двухступенчатой с возможностью скольжения поршня по обеим внутренним поверхностям расточки, при этом диаметр поршня первой ступени, ближнего к входному отверстию, превышает диаметр поршня второй ступени, более удаленного от входного отверстия, поршень корпуса образует в первой ступени расточки корпуса полость, которая соединена с входным каналом посредством отверстия.