Быстродействующий мембранно-плунжерный затвор для камер гипербарических установок жидкостного дыхания

Полезная модель относится к конструкциям быстродействующих затворов сосудов давления и предназначена для использования в различных отраслях промышленности, производящих и эксплуатирующих емкости и аппараты, работающие под давлением, в частности камеры испытательных стендов для проведения исследований различных технологических процессов, в том числе процессов жидкостного дыхания, протекающих при высоких (гипербарических) давлениях.
Известна конструкция устройства для запирания крышки сосуда, работающего под давлением (патент RU 2249135 С1, МПК F16J 13/16, 13/10 от 18.08.2003 г.), которое содержит крышку с механизмом ее подъема, установленную на корпусе, быстроразъемное конусно-фланцевое соединение, механизм закрытия/открытия крышки, прокладку, размещенную между фланцами корпуса и крышки. Конусно-фланцевое соединение выполнено на базе фланцев крышки и корпуса с наружными коническими поверхностями и охватывающих их торцы пары разводящихся/сводящихся бугелей с коническими проточками на внутренних поверхностях. Механизм закрывания (запирания) крышки включает в себя два основных и два дополнительных гидроцилиндра, а механизм подъема (откидывания) крышки - гидродомкрат, установленный на качающейся опоре, установленной вблизи корпуса сосуда.
Устройство требует большого количества исполнительных механизмов в виде гидроцилиндров, один из которых в составе гидродомкрата усложняет привязку затвора к корпусу сосуда, лишая последний автономности. Наличие пары бугелей, разводящихся/сводящихся с помощью гидроцилиндров может вызвать их неравномерное сведение и затяжку, особенно при провисании крышки под действием собственного веса, может привести к смещению прокладки и негерметичному закрытию крышки, а в целом приводит к снижению надежности работы устройства.
В известной конструкции затвора быстродействующего, предназначенного для сосудов давления (патент RU 2498133 С1, МПК F16J 13/02 от 04.04.2012 г.), содержащей корпус с резьбовым пояском, крышку, накидную гайку, взаимодействующую с крышкой и по резьбе с корпусом, уплотнительный элемент, тяги, связанные стягивающей муфтой с кронштейном на корпусе и рычагом, взаимодействующим с накидной гайкой, в центре наружной поверхности крышки выполнен цилиндрический выступ, взаимодействующий с втулкой рычага, а обращенные друг к другу поверхности крышки и корпуса снабжены соосно расположенными кольцевыми выступами, образующими подвижное цилиндрическое соединение. Кроме того, по периметру гайки с одинаковым шагом смонтированы упоры с пазами в радиальном направлении, в которых с зазором располагается взаимодействующий с упорами палец рычага. Для подъема крышки с целью выведения цилиндрических выступов крышки и корпуса из соединения предназначен винтовой механизм, смонтированный на поворачивающемся кронштейне.
Наличие резьбовых соединений в механизмах запирания и подъема крышки существенно увеличивают время ее открытия/закрытия. С увеличением диаметра сосуда, а, следовательно, диаметра накидной гайки и крышки, значительно возрастают моменты трения в резьбовых соединениях «гайка - резьбовой поясок корпуса» и «гайка - кольцевой упорный буртик» на наружной образующей крышки, что приводит к необходимости значительного увеличения прикладываемого к рукоятке ручного привода усилия для создания крутящего момента, способного надежно обеспечить герметичное закрытие сосуда. Кроме того, не исключается возможность вращения гайки вместе с крышкой относительно уплотнительного элемента в виде кольца, материал которого будет подвержен не только нормальным деформациям (сжатию) в поперечном направлении, но и тангенциальным деформациям (сдвигу) в окружном направлении. Последние вызывают изменения размеров (например, диаметров) поперечных сечений уплотнения в сторону уменьшения или увеличения, негативно отражающихся на обеспечении затвором герметичности запирания сосуда и долговечности.
Известна конструкция запорного устройства (патент CN 203404555 U), анализ работы которой позволяет сделать заключение, что вращение крышки будет передаваться диску с уплотнительным кольцом за счет трения между их находящимися в контакте торцовыми поверхностями, вызывая тем самым тангенциальные деформации материала кольца, изменяющие размер поперечного сечения (утолщения, утонения), что негативно отражается на надежности герметизации. Кроме того, погрешности расположения большого числа зубцов (кулачков) с криволинейными (винтовыми) контактными поверхностями относительно уплотнительной поверхности корпуса, будут вызывать перекосы крышки, а, следовательно, и диска с уплотнительным кольцом относительно этой поверхности, что также будет приводить к неравномерной по периметру поперечной деформации уплотнительного кольца и к снижению надежности герметизации.
Наиболее близким по техническому исполнению (прототипом) является затвор концевой байонетный (патент RU 2418218 С1, МПК В08В 9/02 от 10.05.2011 г.), используемый в нефтегазовой промышленности, например, для обеспечения быстрого ввода в камеры запуска трубопроводов очистных и диагностических устройств.
Затвор включает в себя полый корпус, прилегающую к его уплотнительной поверхности крышку, установленную с помощью шаровой опоры с возможностью поворота на откидном рычаге, закрепленном на корпусе, и байонетное запорное устройство, обеспечивающее сжатие расположенного в канавке уплотнительной поверхности корпуса уплотнителя.
Крышка снабжена радиальными выступами (зубцами), охватываемыми выполненными на корпусе пазами. Контактные поверхности элементов байонетного соединения (зубцов) имеют форму винтовых поверхностей, аналогичных поверхности многозаходной прямоугольной резьбы. Механизм поворота крышки включает в себя снабженный храповым механизмом ручной съемный ключ - шестерню, взаимодействующий с зубчатым сектором, закрепленным на крышке. Крышка откидывается вручную, для чего она снабжена рукоятками в виде скоб.
К недостаткам взятого в качестве прототипа затвора можно отнести следующее.
Во-первых, сложность изготовления с одинаковой точностью контактных винтовых поверхностей запорных элементов (зубцов) байонетного соединения, разброс размеров которых даже в пределах допуска не позволит обеспечить равномерное сжатие в поперечном направлении уплотнительного элемента по периметру.
Во-вторых, при вращении крышки относительно уплотнительного элемента в виде кольца, упругий материал из которого оно изготовлено, будет подвержен не только нормальным деформациям (сжатию) в поперечном направлении, но и тангенциальным деформациям (сдвигу) в окружном направлении. Последние вызывают изменения размеров поперечных сечений разных участков уплотнения (утонению, утолщению), волнистость линии контакта уплотнения с крышкой, что негативно отразится на обеспечении затвором герметичности запирания сосуда и сроке службы уплотнения из-за неравномерности износа.
В-третьих, при увеличении диаметра крышки значительно возрастает момент трения в зонах контакта винтовых поверхностей зубцов байонетного соединения и уплотнительной поверхности крышки с уплотнением, для преодоления которых требуется создание значительного по величине крутящего момента, увеличение создаваемого вручную приводного усилия, обеспечивающего герметичность запирания сосуда.
В-четвертых, используемые в составе затвора механизмы запирания и откидывания крышки с ручным приводом не могут обеспечить высокое быстродействие, которое необходимо при исследовании или осуществлении целого ряда технологических процессов, так как большое время доступа к результатам испытаний, проводимых в условиях высокого (гипербарического) давления может их существенно исказить.
Таким образом, возникает задача создания затвора для сосудов (камер) высокого (гипербарического) давления, которому не присущи указанные выше недостатки, т.е. затвора, характеризующегося высокой эксплуатационной надежностью в части обеспечения герметичности и быстродействия.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемой конструкции быстродействующего мембранно-плунжерного затвора, содержащего полый круглый корпус с переходной обечайкой; прилегающую к его уплотнительной поверхности крышку, установленную с помощью шаровой опоры на откидном рычаге и обеспечивающую прилегание уплотнительных поверхностей корпуса и крышки; расположенные в канавках уплотнительной поверхности корпуса уплотнительные кольца и обеспечивающий их сжатие запорный механизм с входящими в зацеплении зубцами; внутри крышки, выполненной в виде стакана со сферическим дном и кольцевым наружным буртиком по краю, перпендикулярно оси крышки закреплена сваркой круглая упругая мембрана, образующая со сферическим дном закрытую герметичную полость, соединенную с источником давления жидкости, и открытую полость под подвижный в осевом направлении плунжер в виде цилиндрической чашки, донная часть которого обращена к мембране, а торцовая поверхность стенки - к уплотнительной поверхности корпуса с уплотнительными кольцами; запорный механизм выполнен в виде кольца, установленного с возможностью вращения на наружной цилиндрической поверхности стакана крышки, радиальные зубцы которого, расположенные с одинаковым шагом, имеют плоскую форму и образуют зацепление с аналогичными по форме и расположению зубцами на уплотнительной поверхности корпуса.
При сравнении аналогов и прототипа с заявляемой конструкцией затвора видно, что последний обладает следующими новыми техническими характеристиками.
Во-первых, наличие в составе крышки плунжера, которому для работы затвора достаточно возможности осевого перемещения (без вращения) перпендикулярно уплотнительной поверхности фланца для взаимодействия с уплотнительным кольцевым элементом, что обеспечивает равномерную нормальную деформацию (сжатие) кольца по периметру без создания тангенциальных (касательных) деформаций сдвига, вызывающих изменение формы поперечного сечения, неравномерный износ и, как следствие, нарушение герметизации.
Во-вторых, применение для перемещения плунжера упругой мембраны, которая под действием давления входит в контакт с прилегающей к ней его торцовой поверхностью, обеспечивает равномерное распределение усилия прижима плунжера к уплотнительным кольцам независимо от точности изготовления, количества и расположения элементов запорного механизма - зубцов, а также точности относительного расположения торцов плунжера (непараллельности).
В-третьих, поскольку зубцы элементов запорного механизма имеют плоскую форму, а, следовательно, прямолинейные контактные поверхности сопряжения, и располагаются по отношению друг к другу с гарантированным зазором, не требуется создание больших приводных усилий запирания, что упрощает конструкцию и надежность работы запорного механизма.
В-четвертых, поскольку силовое запирание крышки затвора обеспечивается мембранным гидроцилиндром, образованным стаканом крышки и мембраной, время срабатывания которого в сравнении с ручными зубчато-рычажными приводами силового запирания значительно меньше, в целом, повышается быстродействие затвора.
На фиг. 1 представлена в разрезе конструкция быстродействующего мембранно-плунжерного затвора в закрытом состоянии; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по стрелке Б на фиг. 2; на фиг. 4 - расположение элементов затвора в открытом состоянии.
Быстродействующий мембранно-плунжерный затвор (фиг. 1) содержит круглый корпус 1, снабженный расположенными по краю с одинаковым угловым шагом 2ϕ (фиг. 2) перпендикулярно его уплотнительной поверхности дугообразными зубцами 2 с обращенными к центру корпуса козырьками 3 (фиг. 4), образующими с его уплотнительной поверхностью дугообразные карманы 4 под выполненные с таким же угловым шагом радиальные зубцы 5 (фиг. 2 и 4) запорного кольца 6, установленного с возможностью вращения на наружной цилиндрической поверхности откидной крышки 7 в виде стакана со сферическим дном, и зафиксированного на нем в осевом направлении дугообразными планками 8. Зубцы 2 корпуса 1 и радиальные зубцы 5 запорного кольца 6 имеют одинаковую ширину В и образуют расположенные между ними в окружном направлении с таким же как у них угловым шагом 2ϕ впадины.
2
Внутри крышки перпендикулярно ее оси закреплена сваркой упругая круглая мембрана 9, образующая со сферическим дном закрытую герметичную полость 10, соединенную отверстием 11 с трубопроводом для подвода жидкости давлением р, и открытую полость под подвижный в осевом направлении плунжер 12 в виде цилиндрической чашки с выполненным по краю прилегающей к мембране донной части кольцевым буртиком, ограничивающим максимально допустимое осевое перемещение плунжера на величину S (фиг. 1), а, следовательно, и максимально допустимый в пределах упругой деформации прогиб контактирующей с его донной частью мембраны.
Торцовая поверхность края плунжера обращена в сторону уплотнительной поверхности корпуса и предназначена для контакта с размещенными в его кольцевых канавках уплотнительными кольцами 13, выполненными из материала, имеющего механические характеристики, химическую стойкость и диапазон рабочих температур, соответствующие реальным условиям эксплуатации затвора.
С помощью шарового пальца 14, образующего с приваренным к крышке диском со сферическим углублением шаровую опору, зажимаемую посредством фланца 15 с болтами, крышка закреплена на конце откидного рычага в виде вилки 16, установленного на оси 17, закрепленной по концам в приваренных к корпусу 1 опорах 18. Наличие шаровой опоры позволяет осуществить регулировку углового положения привалочной (торцовой) поверхности крышки по отношению к уплотнительной поверхности корпуса, т.е. обеспечить их параллельность, а также необходимое относительное расположение зубцов корпуса и запорного кольца. Откидной рычаг снабжен кронштейнами 19, соединенными посредством пальцев 20 (фиг. 3) с резьбовыми наконечниками 21 штоков 22 гидроцилиндров двустороннего действия 23, закрепленных на переходном патрубке 24 с возможностью качания на пальцах 25. В боковых стенках 26 откидного рычага выполнены отверстия, в которых закреплены концы двустороннего штока 27 гидроцилиндра двустороннего действия 28, с подвижным корпусом квадратного сечения, который размещен в пространстве между задней стенкой 29 откидного рычага и прикрепленной к ней направляющей планкой 30. Квадратный корпус гидроцилиндра снабжен зубчатой рейкой 31, образующей зубчатое зацепление с колесом 32, установленным с помощью шпонки на коническом вале-шестерне 33, образующем зацепление с зубчатым сектором 34, закрепленным на запорном кольце. Посредством переходного патрубка затвор прикрепляется (приваривается) к горловине 35 сосуда (гидрокамеры) высокого (гипербарического) давления. С целью повышения безопасности обслуживания, крышка в откинутом положении (фиг. 4) фиксируется вручную специальным стопором (на фигуре не показан). В конструкции затвора предусмотрено ручное откидывание крышки с помощью скоб 36, размещенных на откидывающемся рычаге, а также ручное вращение запорного кольца с помощью рукоятки, устанавливаемой на квадратной части 37 хвостовика вала-шестерни.
Закрытие крышки осуществляется в следующей последовательности. При подаче жидкости под давлением в гидроцилиндры 23 происходит выталкивание штоков 22 и поворот рычага 16 вокруг оси 17 с закрепленной на его конце крышкой 7 на угол α, в результате которого крышка из положения, показанного на фиг. 4, перемещается в положение, показанное на фиг. 1. Зубцы 5 запорного кольца 6 размещаются во впадинах корпуса 1, плунжер 12, войдя в контакт с уплотнительными кольцами 13, задвигается внутрь стакана крышки 7 до контакта его донной части с мембраной 9, а торцовые поверхности запорного кольца 6 и стакана крышки 7 входят в контакт с уплотнительной поверхностью корпуса 1.
Затем жидкость под давлением подается в гидроцилиндр 28, вызывая перемещение его корпуса с зубчатой рейкой 31 относительно закрепленного двустороннего штока 27 до регулируемого жесткого упора (на фигуре не показан), вращение конического вала-шестерни 33, вызывающее вращение по часовой стрелке запорного кольца 6. В результате радиальные зубцы 5 располагаются в дугообразных карманах 4 под козырьками 3 зубцов 2 корпуса 1 (фиг. 2 и 4).
2
2
1
1
2
Полость 10 подключается к источнику давления р, мембрана 9 упруго деформируется (прогибается), развивает прикладываемое к плунжеру 12 усилие F, перемещает его в осевом направлении, вызывая деформацию (сжатие) уплотнительных колец 13. Одновременно происходит перемещение стакана крышки 7 с запорным кольцом 6 в осевом направлении, в результате которого их торцовые поверхности отходят (отжимаются) от уплотнительной поверхности корпуса 1 и осуществляется выборка осевых зазоров между зубцами 5 запорного кольца 6 и козырьками 3 зубцов 2 корпуса 1. Действующее со стороны мембраны усилие F2 полностью воспринимается уплотнительными кольцами 13, находящимися в контакте с плунжером 12, деформация (сжатие) которых обеспечивает герметизацию сосуда, в который затем подается жидкость под давлением p, развивающее на плунжере 12 усилие F, направленное навстречу усилию F (см. фиг. 1).
Создаваемые усилия определяются с помощью выражений:
1
1
2
2
2
2
F=0,25 π p d и F=0,25 π р D,
где d и D - соответственно диаметр рабочих поверхностей плунжера и мембраны (см. фиг. 1).
1
2
2
1
При p=р и D>d, усилие F>F.
1
2
Σ
Поскольку F направлена навстречу F, частично компенсируя его, суммарная величина действующего на уплотнительные кольца давления F, вызывающего их деформацию (сжатие) и обеспечивающего тем самым герметизацию сосуда (камеры),
Σ
2
1
F=F - F.
2
1
Увеличением давления р по отношению к давлению p достигается необходимая величина деформации (сжатие) уплотнительных колец, удовлетворяющая условиям проводимых исследований.
2
Для открытия крышки сначала сбрасывается давление р в полости 10, в результате чего мембрана 9 отходит от плунжера 12 на величину прогиба, образуя зазор S, торцовые поверхности стакана крышки и запорного кольца входят в контакт с уплотнительной поверхностью корпуса 1, а между козырьками 3 зубцов 2 и зубцами 5 образуется осевой зазор. Затем переключается подача жидкости в другую полость гидроцилиндра 28, корпус которого с зубчатой рейкой 31 перемещается в исходное положении, осуществляя вращение запорного кольца 6 в положение до выхода его радиальных зубцов 5 из карманов 4 зубцов 2 (фиг. 2). При последующей подаче жидкости в штоковые полости гидроцилиндров 23 происходит втягивание штоков 22 и поворот откидного рычага 16 вокруг оси 17 вместе с крышкой 7 на угол α (фиг. 4).
При ручном откидывании крышки штоковые и бесштоковые полости гидроцилиндров 23 и гидроцилиндра 28 соединяются между собой с помощью каналов трехпозиционных гидрораспределителей с ручным дублированием управляющих сигналов, используемых в составе гидросистемы сосуда (камеры). Эти каналы обеспечивают свободное перетекание рабочей жидкости (масла) из одной рабочей полости гидроцилиндра в другую.
В случае несанкционированной подачи давления в полость 10 крышки, находящейся в откинутом положении, плунжер 12 переместится (выдвинется) под действием мембраны на максимально допустимое расстояние S, что исключает переход упругой деформации мембраны в пластическую, способную вызвать изменение ее геометрических параметров и разрушение (разрыв).