ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ЗОЛОТНИКОВЫЙ КЛАПАН Российский патент 2024 года по МПК F16K17/02 F16K47/04 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к предохранительным клапанам высокого давления золотникового типа и может быть использовано в установках для гидростатических испытаний насосно-компрессорных и обсадных труб [F16K17/00, F15B13/00, F16J15/00].

Из уровня техники известен КЛАПАН ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ [RU 45496U1, опубл. 10.05.2005], содержащий корпус, клапанный затвор, пружину, присоединительный фланец и регулировочный винт, причем корпус содержит две полости, напорную и пружинную, с расположенным между ними уплотнением, клапанный затвор выполнен комбинированным: эластичный элемент-металл, корпус пружины выполнен с возможностью размещения в нем пружин не менее трех типоразмеров, и не сообщающимся с рабочей средой, регулировочный винт выполнен полым и в нем размещена передаточная шпилька.

К недостаткам указанного технического устройства можно отнести, что уплотнительные узлы клапанного затвора выполнены из фторопласта, обладающего высокой текучестью, что при работе с рабочей средой под высоким давлением приводит к пластической деформации фторопласта и снижению герметичности клапана.

Известен ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН ПРУЖИННОГО ТИПА С МЯГКИМ УПЛОТНЕНИЕМ [CN 114033874A, опубл. 11.02.2022], содержащий: корпус клапана, седло клапана, диск клапана, возвратный диск, направляющую втулку, крышку клапана и шток клапана, устройство для установки давления, корпус клапана имеет впускной канал и выпускной канал, седло клапана неподвижно установлено во впускном канале корпуса клапана, а устройство для установки давления управляется пружиной, верхнее седло пружины, нижнее седло пружины и втулка регулировочного винта, верхний конец направляющей втулки неподвижно установлен между корпусом клапана и крышкой клапана, а направляющее отверстие на нижнем конце соединено с клапаном.

Недостаток указанного предохранительного клапана заключается в том, что уплотнительные элементы и конструкция предохранительного клапана предусматривают герметичность запорного элемента предохранительного клапана только в условиях высокого давления. Кроме того, герметичность указанного клапана является неполной ввиду того, что шток клапана и седло выполнены по системе «металл-металл», и при работе с неочищенной водой, обладающей абразивными свойствами, в зазоры между металлическими элементами забиваются твердые частицы и снижают их герметичность.

Наиболее близким по технической сущности является КЛАПАН СБРОСА ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ [RU 143010U1, опубл. 10.07.2014], содержащий корпус с нижней и верхней крышками с выполненными в них подводящим и отводящим каналами соединения с пневматическим приводом, поршень со штоком, запорный шариковый клапан.

Основной технической проблемой прототипа является то, что уплотнительные элементы верхнего, среднего и нижнего уплотнительных узлов запорного элемента клапана выполнены со значительными зазорами между ними, что при воздействии жидкости под высоким давлением, а также при возвратно поступательном движении штока приводит к затеканию уплотнительного элемента под шток. Кроме того, конструкция указанного клапана позволяет ему функционировать лишь при высоком давлении и не позволяет обеспечить герметичность при начальной подаче рабочей среды под низким давлением.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении сохранения герметичности золотникового предохранительного клапана при работе с низким и высоким давлением рабочей среды без дополнительного регулирования клапана.

Указанный технический результат достигается за счет того, что предохранительный золотниковый клапан, содержащий корпус с подводным и отводным отверстиями, смонтированные в его осевом канале шток, состоящий из нижней части и верхней части, верхний уплотнительный узел, средний уплотнительный узел и нижний уплотнительный узел, отличающийся тем, что средний уплотнительный узел выполнен в виде пакета эластичных радиальных уплотнений различной степени твердости, упирающихся в конусное разрезное кольцо, а нижняя часть штока выполнена с центральным отверстием на конце и лысками с отверстиями, сообщающимися с центральным отверстием штока.

В частности, эластичные радиальные уплотнения в среднем уплотнительном узле выполнены с увеличением степеней их твердости по Шору «А» в направлении открытого положения клапана в следующем порядке: манжета со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 65-75 ед. Шора, кольцо средней твердости со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 70-85 ед. Шора, кольцо высокой твердости со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 80-95 ед. Шора.

В частности, кольцо высокой твердости выполнено с фаской.

В частности, конусное разрезное кольцо выполнено с возможностью плотного прилегания своей конусной частью к фаске кольца высокой твердости.

В частности, нижняя часть штока выполнена в форме конуса с плавным конусным переходом к уплотняемому диаметру.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан предохранительный золотниковый клапан, главный вид.

На фиг. 2 показан предохранительный золотниковый клапан, вид А.

На фиг. 3 показан фрагмент штока предохранительного золотникового клапана, вид слева.

На фиг. 5 показан фрагмент штока предохранительного золотникового клапана, вид Б.

На фиг. 4 показан шток предохранительного золотникового клапана, вид спереди.

На фиг. 6 представлен предохранительный золотниковый клапан в закрытом положении, вид сверху.

На фиг. 7 представлен предохранительный золотниковый клапан при начале движения штока в направлении открытия предохранительного клапана, вид сверху.

На фиг. 8 представлен предохранительный золотниковый клапан при прохождении штоком среднего уплотнительного узла предохранительного золотникового клапана, вид сверху.

На фиг. 9 представлен предохранительный золотниковый клапан в открытом положении, вид сверху.

На фигурах обозначено: 1 - корпус, 2 - подводное отверстие, 3 - отводное отверстие, 4 - осевой канал; 5 - шток, 6 - дистанционная втулка, 7 - верхний уплотнительный узел, 8 - средний уплотнительный узел, 9 - нижний уплотнительный узел, 10 - пневмоцилиндр, 11 - шток пневмоцилиндра, 12 - переходник, 13 - держатель, 14 - фланец корпуса, 15 - фланец пневмоцилиндра, 16 - соединительная стойка, 17 - крепёжный уголок, 18 - заглушка, 19 - уплотняемый диаметр, 20 - конус, 21 - центральное отверстие, 22 - лыска, 23 - отверстия, 24 - паз втулки, 25 - отверстия втулки, 26 - упор, 27 - манжета, 28 - манжетодержатель, 29 - защитное кольцо, 30 - втулка, 31 - кольцо средней твердости, 32 - кольцо высокой твердости, 33 - конусное разрезное кольцо, 34 - упорное кольцо, 35 - металлическая шайба, 36 - гайка держателя.

Осуществление изобретения

Золотниковый клапан (см. фиг. 1) содержит корпус 1 со смонтированными на его боковых поверхностях подводным отверстием 2 и отводным отверстием 3, и смонтированными в его осевом канале 4 штоком 5, дистанционной втулкой 6, верхним уплотнительным узлом 7, средним уплотнительным узлом 8, нижним уплотнительным узлом 9, пневмоцилиндр 10 со штоком пневмоцилиндра 11, переходник 12, держатель 13, фланец корпуса 14, фланец пневмоцилиндра 15, по меньшей мере три соединительных стойки 16, крепёжный уголок 17.

Корпус 1 выполнен в виде полого цилиндра с внутренней цилиндрической полостью, образующей осевой канал 4.

Подводное отверстие 2 выполнено с резьбой для накручивания штуцера и сообщающимся с осевым каналом 4 для подвода рабочей среды под давлением в предохранительный клапан через дистанционную втулку 6 при срабатывании предохранительного клапана.

Отводное отверстие 3 выполнено с резьбой для накручивания штуцера и сообщающимся с осевым каналом 4 для отвода рабочей среды из предохранительного клапана.

Осевой канал 4 выполнен для осуществления возможности возвратно-поступательного движения штока 5 вдоль верхнего уплотнительного узла 7, среднего уплотнительного узла 8, смонтированных в цилиндрических выточках осевого канала 4.

Верхняя часть корпуса 1 выполнена герметично соединённой с фланцем корпуса 14 с помощью болтовых соединений. Фланец корпуса 14 выполнен с возможностью прохода штока 5 через него. В центре фланца корпуса 14 вокруг отверстия для прохода штока 5 выполнена цилиндрическая выточка для монтажа верхней части верхнего уплотнительного узла 7.

Нижняя часть корпуса 1 герметично соединена с заглушкой 18 при помощи винтовых соединений.

В заглушке 18 выполнена цилиндрическая выточка для упора нижнего уплотнительного узла 9.

Шток 5 (см. фиг. 1, см. фиг. 2) выполнен неуравновешенным и содержит уплотняемый диаметр штока 19, представляющий собой верхнюю часть штока 5, и конус 20, представляющий собой нижнюю часть штока 5. Конусный переход между конусом 20 и уплотняемым диаметром 19 выполнен плавным.

На конце нижней части штока 5, представленной конусом 20, выполнено центральное отверстие 21 (см. фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5), а на внешней поверхности по окружности конуса 20 выполнены лыски 22 с отверстиями 23, сообщающимися с центральным отверстием 21 штока 5.

Дистанционная втулка 6 (см. фиг. 1, см. фиг. 2) содержит паз втулки 24, выполненный кольцевым и отверстия втулки 25. Дистанционная втулка 6 выполнена смонтированной в канале между упором 26 с нижним уплотнительным узлом 9 и средним уплотнительным узлом 8.

Верхний уплотнительный узел 7 (см. фиг. 1, см. фиг. 2) содержит манжету 27, манжетодержатель 28, защитное кольцо 29, и выполнен для герметизации осевого канала 4 в верхней его части.

Верхний уплотнительный узел 7 зафиксирован со стороны манжетодержателя 28 за счет упора, создаваемого только прямоугольным пазом, в который уложен манжетодержатель 28, а со стороны манжеты 27 - защитным кольцом 29 и втулкой 30, упираемой в цилиндрическую выточку в центре фланца корпуса 14.

Средний уплотнительный узел 8 (см. фиг. 1, фиг. 2) выполнен в виде пакета эластичных радиальных уплотнений различной степени твердости с увеличением степеней их твердости по Шору «А» в направлении открытого положения клапана и в следующем порядке: манжета 27 со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 65-75 ед. Шора, кольцо средней твердости 31 со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 70-85 ед. Шора, кольцо высокой твердости 32 со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 80-95 ед. Шора.

Кольцо высокой твердости 32 выполнено с фаской. Кроме того, в среднем уплотнительном узле 8 смонтированы коническое разрезное кольцо 33, выполненное с возможностью плотного прилегания своей конусной частью к фаске кольца высокой твердости 32, упорное кольцо 34 и металлическая шайба 35. Манжета 27 зафиксирована со стороны дистанционной втулки 6 манжетодержателем 28.

Средний уплотнительный узел 8 зафиксирован со стороны манжетодержателя 28 за счет упора создаваемого дистанционной втулкой 6, а со стороны кольца высокой твердости 32 - упорным кольцом 34 и металлической шайбой 35.

Нижний уплотнительный узел 9 (см. фиг. 1, фиг. 2) смонтирован в цилиндрической выточке нижней части осевого канала 4 и содержит манжету 27, защитное кольцо 29. Нижний уплотнительный узел 9 выполнен для герметизации канала 4 в нижней его части.

Нижний уплотнительный узел 9 зафиксирован по бокам в выточке канала 4 тугой посадкой манжеты 27 между стенкой упора 27 и стенкой канала 4, а снизу защитным кольцом 29 опирающейся на широкое основание упора 26.

Защитные кольца 27, выполнены разрезными, коническими для компенсации допуска нижнего уплотняемого диаметра 9 и верхнего уплотняемого диаметра 7 от действия высокого давления на манжеты 27.

Металлическая шайба 35, также выполнена конической с целью образования конусной поверхности для дополнительной фиксации упорного кольца 34.

Пневмоцилиндр 10 выполнен герметично соединенным с фланцем пневмоцилиндра 15 с помощью болтовых соединений и содержит шток пневмоцилиндра 10. Фланец пневмоцилиндра 15 выполнен с возможностью прохода штока пневмоцилиндра 11 через него.

Фланец пневмоцилиндра 15 и фланец корпуса 14 выполнены жестко скрепленными между собой при помощи соединительных стоек 16.

На внутренней стороне фланца пневмоцилиндра 15 выполнен крепежный уголок 17, для монтажа предохранительного золотникового клапана.

Начало верхней части штока 5 соединено со штоком пневмоцилиндра 11 при помощи переходника 12 и закреплено вместе с переходником 12 в держателе 13 при помощи гайки держателя 36.

Золотниковый клапан работает следующим образом.

Перед началом применения по назначению производят проверку надежности крепления болтовых соединений крепления пневмоцилиндра 10 к фланцу пневмоцилиндра 15, крепления корпуса 1 к фланцу корпуса 14, крепления заглушки 18 к нижней части корпуса 1, натяжения болтов соединительных стоек 16, а также гайки держателя 36 на держателе 13.

В начале проведений гидроиспытаний на герметичность насосно-компрессорных и обсадных на испытательном стенде (на фигурах не показан) предохранительный золотниковый клапан находится в открытом положении. В подводное отверстие 2 через штуцер (на фигурах не показан) подводится рабочая среда под низким давлением для наполнения ею испытуемой трубы. При этом герметизацию осевого канала 4 и штока 5 осуществляют манжеты 27.

После завершения процесса наполнения трубы рабочей средой под низким давлением подается сигнал на пневмоцилиндр 10 и золотниковый предохранительный клапан закрывается. Включается насос высокого давления и в подводное отверстие 2 подается рабочая среда под испытательным (высоким) давлением и удерживается в полости образованной подводным отверстием 2, штоком 5, средним уплотнительным узлом 8 и нижним уплотнительным узлом 9 (см. фиг. 6).

По окончании процесса гидроиспытаний или в случае возникновения аварийной ситуации подается команда на сброс давления (см. фиг. 7), при этом на пневмоцилиндре 10 сбрасывается управляющее давление шток пневмоцилинда 11 перестает удерживать шток 5 в закрытом положении и шток 5 под действием испытательного давления рабочей среды начинает перемещаться вверх, а конус 20 на штоке 5 перемещается под манжету 27 среднего уплотнительного узла 8. Давление проникает под указанную манжету 27, а осевая нагрузка от давления с указанной манжеты 27 снимается за счет того, что рабочая среда под высоким давлением проникает под манжету 27 среднего уплотнительного узла 8 плавно. Это обеспечивается прохождением ее через лыски 22 с отверстиями 23 и центральное отверстие 21.

Шток 5 продолжает движение вверх (см. фиг. 8) и конус 20 перемещается дальше, открывая возможность проникновения давления под кольцо средней твердости 31 и кольцо высокой твердости 32, так же освобождая их от осевой нагрузки за счет вышеуказанных лысок 22 и отверстий 23.

Затем шток 5 перемещается в конечное положение (см. фиг. 9). Полость под высоким давлением, образованная в осевом канале 4 сообщается с отводным отверстием 3. Жидкость перетекая по освободившемуся осевому каналу 4 сбрасывает давление из осевого канала 4 и перетекает в бак.

Таким образом, выполнение среднего уплотнительного узла в виде пакета эластичных радиальных уплотнений различной степени твердости позволяет герметизировать шток 5 манжетой 27 среднего уплотнительного узла 8, рассчитанной для работы с давлением, не превышающим 300 атм. при работе с рабочей средой под низким давлением, а при работе с рабочей средой под высоким давлением (от 300 до 1000 атм) герметизация штока 5 осуществляется манжетой 27 в составе пакета уплотнений различной степени твердости.

Исполнение эластичных радиальных уплотнений в среднем уплотнительном узле с увеличением твердости по шкале Шора «А» в направлении открытого положения клапана в следующем порядке: манжета 27 со степенью твердости Шору «А» в диапазоне [65-75], кольцо средней твердости 31 со степенью твердости Шору «А» в диапазоне [70-85], кольцо высокой твердости 32 со степенью твердости Шору «А» в диапазоне [80-95], позволяет, как показали исследования проведенные на предприятии ООО «НПП Техмашконструкция» осуществлять максимально эффективное демпфирование напряжений действующих на манжету 27 среднего уплотнительного узла 8, возникающих при действии высокого давления и, как следствие, минимизировать негативное влияние высокого давления на манжету 27 среднего герметизирующего узла 8, приводящее к нарушению герметичности предохранительного клапана.

Выполнение на конце пакета уплотнений среднего уплотнительного узла 8 конусного разрезного кольца 33 с возможностью плотного прилегания своей конусной части к фаске кольца высокой твердости 32 позволяет при действии высокого давления на средний уплотнительный узел 8 за счет радиального и осевого смещения манжеты 27, кольца средней твердости 31 и кольца высокой твердости 32 осуществлять радиальное смещение конусной части конусного разрезного кольца 33 к уплотняемому диаметру 19 штока 5 и тем самым герметизировать зазор между штоком 5 и средним уплотнительным узлом 8, что препятствует затеканию манжеты 27 среднего уплотнительного узла 8 в указанный зазор.

Выполнение конуса 20 штока золотника 5 с центральным отверстием 21 и лысками 22 на поверхности конуса и отверстиями 23, сообщающимися с центральным отверстием 21 в конусе 20 штока 5 позволяет осуществлять плавное воздействие высокого давления на манжету 27 уплотнительного узла штока 8, за счет проникновения части потока рабочей среды в центральное отверстие 21 и отверстия 23, приводящее к компенсации высокого давления. Кроме того, наличие лысок 22, позволяет осуществлять плавный заход рабочей среды под манжету 27 среднего уплотнительного узла 8, что дополнительно снижает вероятность ее деформации, приводящий к нарушению герметичности.

Выполнение нижней части штока 5 в форме конуса 20 с плавным конусным переходом к уплотняемому диаметру 19, позволяет при закрытии предохранительного клапана и прохождении штока 5 через манжету 27 среднего уплотнительного узла 8 осуществлять плавное расширение манжеты 27 и тем самым снижать вероятность ее повреждения, приводящую к нарушению герметичности предохранительного клапана.

Альтернативным применением заявленного изобретения является, например, применение его в качестве клапана сброса давления в системах водоснабжения для защиты трубопроводной сети от превышения давления выше установленного.

Для доказательства технического результата сотрудниками ООО «НПП Техмашконструкция» были проведены экспериментальные исследования, проведенные на установке для гидравлических испытаний насосно-компрессорных труб УГ-1000 с применением заявленного предохранительного золотникового клапана.

Испытания проводились в условиях работы с грязной водой, обладающей абразивными свойствами.

В составе уплотнительных узлов золотникового клапана были использованы следующие стандартные элементы:

1. Манжета 1-20х12-1, выполненная по ГОСТ 14896-84.

2. Кольцо защитное 2-20х12, выполненное по ГОСТ 5916-84.

Проведенные экспериментальные исследования на разработанном опытном образце заявленного предохранительного золотникового клапана показали, что при работе в составе установки для проведения статических гидроиспытаний насосно-компрессорных труб он сохранят герметичность при подаче рабочей среды под низким давлением от 0,5 до 6 атм, и под высоким давлением 1000 атм. при сохранении ресурса уплотнительных узлов.

Кроме того, в заявленном предохранительном золотниковом клапане отсутствует необходимость притирки клапанной пары, так как роль клапанной пары выполняет шток 5 и средний уплотнительный узел 8, это увеличивает его надежность и сокращает время на проведение технического обслуживания предохранительного золотникового клапана.

Таким образом, практическое использование заявленного клапана обеспечивает сохранение герметичности золотникового предохранительного клапана при низком и высоком давлении рабочей среды без дополнительного регулирования клапана и отсутствие необходимости выполнения трудоемкой операции притирки клапанной пары.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к предохранительным клапанам высокого давления золотникового типа, и может быть использовано в установках для гидростатических испытаний насосно-компрессорных и обсадных труб. Предохранительный золотниковый клапан содержит корпус с подводным и отводным отверстиями, смонтированные в его осевом канале шток, состоящий из нижней части и верхней части, верхний уплотнительный узел, средний уплотнительный узел и нижний уплотнительный узел. Средний уплотнительный узел выполнен в виде пакета эластичных радиальных уплотнений различной степени твердости, упирающихся в конусное разрезное кольцо. Нижняя часть штока выполнена с центральным отверстием на конце и лысками с отверстиями, сообщающимися с центральным отверстием штока. Обеспечивается сохранение герметичности золотникового предохранительного клапана при работе с низким и высоким давлением рабочей среды без дополнительного регулирования клапана. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Предохранительный золотниковый клапан, содержащий корпус с подводным и отводным отверстиями, смонтированные в его осевом канале шток, состоящий из нижней части и верхней части, верхний уплотнительный узел, средний уплотнительный узел и нижний уплотнительный узел, отличающийся тем, что средний уплотнительный узел выполнен в виде пакета эластичных радиальных уплотнений различной степени твердости, упирающихся в конусное разрезное кольцо, а нижняя часть штока выполнена с центральным отверстием на конце и лысками с отверстиями, сообщающимися с центральным отверстием штока.

2. Предохранительный золотниковый клапан по п.1, отличающийся тем, что эластичные радиальные уплотнения в среднем уплотнительном узле выполнены с увеличением степеней их твердости по Шору «А» в направлении открытого положения клапана в следующем порядке: манжета со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 65-75 ед. Шора, кольцо средней твердости со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 70-85 ед. Шора, кольцо высокой твердости со степенью твердости по Шору «А» в диапазоне 80-95 ед. Шора.

3. Предохранительный золотниковый клапан по п.2, отличающийся тем, что кольцо высокой твердости выполнено с фаской.

4. Предохранительный золотниковый клапан по пп.1, 3, отличающийся тем, что конусное разрезное кольцо выполнено с возможностью плотного прилегания своей конусной частью к фаске кольца высокой твердости.

5. Предохранительный золотниковый клапан по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть штока выполнена в форме конуса с плавным конусным переходом к уплотняемому диаметру.