Регулятор давления газа Советский патент 1981 года по МПК G05D16/10 

(54) РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

I

Изобретение относится к пневмоавтоматике и может применяться в различн1з1х отраслях промышленности и транспорта при понижении давления рабочей среды в пневматических системах и для поддержания величины пониженного давления с требуемой точностью.

Известен регулятор давления, содержащий корпус со входной и выходной полостями и седлом. В корпусе расположен подпружиненный дросселирующий клапан, связанный через толкатель с чувствительным элементом, нагруженным регулируемой пружиной. Пружина чувствительного элемента представляет собой витую пружину сжатия с круглцм и постоянным по длине поперечным сечением витков. Ее упругая характеристика возрастающая прймолинеЙ4 ая, а коэффициент жесткости постоянный и не зависит от деформации 1

При отсутствии давления рабочей среды на входе и выходе известного регулятора его чувствительный элемент до отказа поднят вверх, дросселирующий клапан максимально поднят над седлом и образует максимальное проходное сечение. При резкой подаче давления на вход устройства

(например, через электропневмоклапаН) оно сразу поступает на выход, так как чувствительный элемент из-за инерционности и действия сил трения запаздывает отреагировать на повышение давления в выходной полости. В результате этого происходит динамический заброс выходного давления регулятора, что является недостатком известного устройства.

Следующим недостатком известного регулятора является то, что при снижении входного давления до давления настройки и ниже чувствительный элемент при малейщем понижении 1(даже случайном) давления на выходе перемещает рабочий орган вверх (в сторону увеличения проходного сечения). При этом рабочая среда сбрасывается в выходную полость, питаемая пневмосистема оказывается без давления, что приводит к ее полному отказу. Этот случай может иметь место не только при прекращении подачи давления на вход регулятора, но и при повреждении (разгерметизации) вхЬдной магистрали (трубопровода). Все это ухудщает динамические характеристики редуктора.

Наиболее близким к предлагаемому является редуктор давления, в корпусе котррого с входной и выходной полостями выполнено два седла с общим каналом, соединяющим вход с выходом регулятора, и установлены жестко связанные между собой и чувствительным элементом два клапана, один из которых является дросселирующим, а второй - предохранительным (разобщающим входную и выходную полости при чрезмерном повыщении расхода газа). Дополнительный (предохранительный клапан взаимодействует с подпружиненным штоком, выходящим наружу из корпуса. Чувствительный элемент известнрго регулятора подпружинен цилиндрической витой пружиной, коэффициент жесткости которой постоянный и не зависит от сжатия. Дополнительный клапан служит разобщению входной и выходной полости при чрезмерном расходе через регулятор, что может иметь место,. например, при повреждении трубопровода в питаемой через регулятор системе. Для повторного включения в работу регулятора (после устранения поломки) так же, как и для первого пуска системы (при первой подаче давления на вход регулятора) необходимо вручную нажать на толкатель дополнительного клапана, отведя последний от дополнительного седла и подав давление газа на чувствительный элемент 2.

Недостатками известного регулятора являются невысокие динамические и эксплуатационные свойства, невысокая точность регулирования и узкий эксплуатационный диапазон настройки, сброс давления газа с выхода на вход (обратное движение) при понижении выходного давления ниже давления настройки.

Невысокие динамические свойства регулятора проявляются в резком повышении выходного давления при резкой подаче давления газа на выход. При этом .не исключены динамические забросы давления на выходе, которые могут иметь место и при плавной подаче высокого давления на вход. Все это обусловлено полным открытием основного (дросселирующего) клапана при отсутствии давления газа в выходной полости и невозможностью ручным нажатием на шток клапанов обеспечить плавное открытие последних.

Необходимость для включения известного регулятора вручную нажимать толкатель предохранительного клапана снижает эксплуатационные свойства устройства и заметно сужает область его возможного использования. При этом не представляется возможным использовать регулятор в системах, управляемых дистанционно или автоматически, а в системах, управляемых человеком, может порождать отказы из-за ошибок оператора.

Сброс газа с выхода на вход (обратное движение) обусловлен жестким (неподвижным) креплением штока дросселирующего клапана с чувствительным элементом. При понижении давления газа на входе ниже

давления настройки дополнительный (предохранительный) клапан, будучи жестко связанным с чувствительным элементом, не может перекрыть дополнительное седло. Газ с выхода идет на вход. По мере сброса газа с выходной полости на вход давлео ние под мембраной уменьшается, чувствительный элемент поднимается вверх, открывая дросселирующий и закрывая дополнительный клапан. Последний сядет на свое седло и разобщит выходную и входную по, лости только при полном сбросе на выход выходного давления.

Кроме того, известные регуляторы имеют узкий эксплуатационный диапазон настройки, что обусловлено постоянным (не зависящим от величины сжатия) коэффициентом жесткости пружины их чувствительных элементов. Статическая погрешность работы редуктора пропорциональна коэффициенту жесткости рабочей пружины и не зависит от давления настройки (от величины сжатия пружины). Это приводит к росту относительной погрещности регулирования (отношение абсолютной погрешности к давлению настройки) при уменьшении настроечного давления, что ограничивает нижний предел регулирования. Стремление обеспечить требуемую относительную погрешность регулирования на выходных давлениях уменьшением коэффициента жесткости рабочей пружины в известном устройстве автоматически приводит- к понижению верхнего предела регулирования,

5 так как при этом пружина становится маломощной и не способна уравновесить действующую на чувствительный элемент силу высокого выходного давления. Постоянный коэффициент жесткости рабочей пружины

известных регуляторов обеспечивает требуемую точность работы только в узком диапазоне настроечных давлений, за пределами этого диапазона точность регулирования низкая и не соответствует прелъявляемым требованиям.

5 Цель изобретения - улучшение динамических характеристик, надежности и расширение диапазона настройки регулятора давления.

0 Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе давления газа, содержащем корпус, в котором установлены связанные между собой основной и дополнительный клапаны, соединенные толкателем с чувствительным элементом, связанным с пружиной задания, диполнительный клапан установлен с зазором относительно седла, а толкатель установлен с возможностью осевого перемещения относительно чувствительного

элемента, причем пружина задания выполнена с возрастающей жесткой нелинейной упругой характеристикой.

На чертеже представлен продольный разрез, регулятор давления газа.

Регулятор давления газа содержит корпус 1 с седлом 2, входной 3 и выходной 4 полостями. В корпусе установлен основной клапан 5 с пружиной 6 и толкателем 7, взаимодействующим с чувствительным элементом 8, нагруженным рабочей пружиной 9, сжатие которой регулируется винтом 10 через тарель И. Чувствительный элемент 8 может быть порщнем или мембраной. Пружина 9 задания имеет жесткую нелинейную возрастающую упругую характеристику, что может быть достигнуто выполнением ее с переменным щагом, с переменной площадью поперечного сечения витков, фасонной (конической, параболоидной, телескопической) или другой. На чертеже пружина 9 выполнена конической.

С противоположной стороны седла 2 в выходной полости 4 выполнено дополнительное седло 12, а на толкателе 7 основного клапана 5 установлен дополнительный клапан 13. При отсутствии давления на входе и выходе регулятора между седлом 12 и клапаном 13 образована небольщая щель. Корпус 1 закрыт стаканом 14, газ во входную полость 3 подводится через входной патрубок 15, а через выходной патрубок 16 газ отводится из выходной полости 4 регулятора в пневмосистему.

Регулятор давления газа работает следующим образом.

В исходном положении пружина 9 задания сжата винтом 10 через тарель 11. Чувствительный элемент 8 под действием пружины 9 опущен До отказа (до ограничителя в корпусе) вниз. Клагтан 5 через толкатель 7 чувствительным элементом 8 опущен вниз, между клапаном 5 и седлом 2 образовано максимальное проходное сечение. Дополнительный клапан 13 образует с дополнительным седлом 12 небольщую щель. Газ высокого давления по патрубку 15 подается во входную полость 3 регулятора, из которой через щель между дополнительным седлом 12 и клапаном 13 поступает в выгодную полость 4. В щели между седлом 12 и клапаном 13 газ дросселируется, его давление понижается, чем обеспечивается плавное повыщение давления в выходной полости регулятора. Давление газа в выходной полости 4 повыщается, по мере повышения давления на выходе регулятора чувствительный элемент 8 поднимается вверх, сжимая пружину 9 задания. При этом проходное сечение между седлом 12 и клапаном 13 плавно увеличивается, а зазор между основным клапаном 5 и седлом 2 уменьщается. Как только клапан 13 поднимается над седлом 12 настолько, что щель между ними будет больще проходного канала (канала седла 2 или 12), т.е. когда клапан 13 перестанет быть регулирукЗщим (дроссеелирующим), в работу вступит клапан 5. С этого момента проходное сечение регулятора определяется подъемом

клапана 5 над седлом 2. Газ из полости 3 поступает в полость 4, дросселируясь в щели между клапанами 5 и седлом 2. Если выход из регулятора закрыт, то при определенном давлении в полости 4 (давлении настройки в статике), чувствительный элемент 8 поднимается вверх, настолько сжав пружину 9, что клапан 5 сядет на седло 2, разобщая входную 3 и выходную 4 полости. При отборе газа в объем за регулятором выходное давление (давления в полости 4) и сила

его воздействия на порщень 8 снижаются. Это приводит к опусканию чувствительного элемента, открытию клапана 5 и дросселированию газа в образовавщейся щели между клапаном и седлом. Давление в полости 4 снова повыщается, и при некотором его

0 значении между силами, действующими на подвижную систему регулятора, устанавливается динамическое равновесие, соответствующее определенному расходу газа. Если расход газа изменяется, то новое равновесие наступает при другой величине дросселирующей щели.

При чрезмерном повыщении отбора газа в объем за регулятором (например, при повреждении трубопровода в питаемой пневмосистеме) давление газа в полости 4 резко понижается, порщень 8 максимально опускается вниз, клапан 13 образует с седлом 12 минимальное проходное сечение. Сброс газа через регулятор значительно уменьшается, чем исключаются неоправданные потери рабочей среды до устранения неисправности или до перекрытия магистрали.

При понижении давления газа во входной полости 3 ниже давления настройки давление в полости 4 становится выше входного, и клапан 13 давлением газа

0 прижимается к седлу 12, разобщая входную и выходную полости. Этим предотвращается сброс рабочего давления из питаемой регулятором пневмосистемы во входную полость. Система за регулятором остается под давлением. При этом щток 7 отрывается от поршня 8, который под действием выходного давления остается в поднятом положении.

Нагружение чувствительного элемента пружиной 9 с жесткой нелинейной возрас® тающей упругой характеристикой, у которой коэффициент жесткости увеличивается при увеличении сжатия, обуславливает то, что при увеличении давления настройки (при увеличении сжатия пружины 9) жесткость

5 рабочей пружины увеличивается. Абсолютная погрешность регулятора при этом также увеличивается. Однако относительная погрешность при этом или уменьшается.

или остается неизменной. В результате весь диапазон сжатия рабочей пружины используется для регулирования давления, эксплуатационный диапазон, настройки значительно расширяется

Предлагаемый регулятор давления газа имеет улучшенные динамические характеристики. Он исключает резкие динамические забросы выходного давления на вход, в выходной полости регулятора давление повышается плавно во всех случаях. При чрезмерном увеличении расхода проходное сечение регулятора уменьшается до минимального, чем исключается неоправданный сброс рабочей среды при резкой разгерметизации пневматической системы, питаемой сжатым газом через регулятор. При снижении входного давления до давления настройки и ниже в регуляторе исключено обратное движение газа. При этом дополнительный клапан разобщает входную и выходную полости. В результате давление с питаемой пневмосистемы не снижается, она остается работоспособной. Все это, помимо улучшения динащческих свойств регулятора , повышает надежность работы питаемой им пневмосистемьи

Кроме того регулятор обеспечивает значительное повышение точности поддержания требуемой величины выходного (пониженного) давления и ощутимое расширение эксплуатационного диапазона настройки, что обусловлено выполнением пружины чувствительного элемента с жесткостью, зависящей от сжатия. При низких давлениях настройки сжатие пружины мало, коэффциент жесткости также мал, отклонение выходного давления от номинального Не превышает допустимую величину. При

увеличении давления настройки коэффициент жесткости рабочей пружины задания увеличивается, относительная же погрешность регулирования или не изменяется, или даже уменьшается. В результате становится возможным использовать для регулирования весь диапазон сжатия рабочей пружины.

Расширение диапазона настройки позволяет значительно уменьшить число типов используемых регуляторов, расширяет область использования регулятора и создает благоприятные условия для стандартизации и унификации устройств пневмоавтоматики.

Формула изобретения

L Регулятор давления газа, содержащий корпус, в котором установлены связанные между собой основной и дополнительный клапаны, соединенные толкателем с чувствительным элементом, связанным с пружиной задания, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик и надежности регулятора в нем дополнительный клапан установлен с зазором относительно седла, а толкатель установлен с возможностью осевого перемещения относительно чувствительного элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 70569, кл. G 05 D 16/06, 1942 (прототип).