ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН
MULTI-PURPOSE VALVE

Изобретение относится к области гидравлической аппаратуры, а именно к запорно-регулирующим клапанам, то есть клапанам, предназначенным для плавного регулирования расхода рабочей жидкости на участке между входным и выходным исполнительными каналами клапана 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 двумя исполнительными каналами, в расточке которого установлено седло с уплотнительной фаской и центральным проходным отверстием, соединенным с первым исполнительным каналом клапана, и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, запорной фаской, 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 запорно-регулирующий элемент установлен в корпусе с образованием со стороны его наружной боковой поверхности полости, соединенной со вторым исполнительным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с первым исполнительным каналом [1]. У запорно-регулирующего элемента указанного клапана кроме упомянутого верхнего штока, расположенного со стороны надклапанной полости и имеющего диаметр, меньший диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, имеется нижний шток, расположенный со стороны первого исполнительного канала клапана и через уплотненное отверстие выходящий за пределы корпуса клапана. При этом диаметр верхнего штока запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра нижнего штока, и основные размеры запорно-регулирующего элемента, определяющие эффективные площади поверхностей, по которым рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент в его осевом направлении, имеют такие величины, при которых при фиксированном значении давления во втором исполнительном канале, выполняющем функцию входного, и любом значении давления из возможного диапазона его изменения в первом исполнительном канале клапана, являющемся выходным: 1) при закрытом проходном сечении клапана напряжения на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла, создаваемые под действием силы давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, являются достаточными для обеспечения герметичного разделения входного и выходного каналов клапана и в то же время не превосходят значение напряжений, допустимое из условия прочности контактирующих поверхностей; 2) при открытом проходном сечении клапана усилие, действующее на запорно-регулирующий элемент со стороны рабочей жидкости, является достаточным для перемещения запорно-регулирующего элемента в направлении седла до соприкосновения с ним (с преодолением соответствующих сил сопротивления).
Регулирующий хвостовик запорно-регулирующего элемента известного клапана входит в центральное проходное отверстие седла, причем боковая поверхность регулирующего хвостовика спрофилирована таким образом, что обеспечивается высокая (с относительной погрешностью, не превышающей заданную допустимую величину δ) точность регулирования расхода рабочей жидкости посредством клапана во всем диапазоне изменения площади его проходного сечения.
Наличие в конструкции известного запорно-регулирующего клапана нижнего штока существенно увеличивает длину запорно-регулирующего элемента и размер в осевом направлении клапана в целом, усложняет изготовление запорно-регулирующего элемента (то есть снижает его технологичность), приводит к необходимости увеличения диаметра седла клапана для обеспечения необходимого максимального проходного сечения клапана. Изготовление профилированной поверхности регулирующего хвостовика является трудоемким процессом. Нижний шток, омываясь потоком рабочей жидкости при протекании ее через клапан, не только при прочих равных условиях уменьшает площадь проходного сечения для потока, но и совместно с регулирующим хвостовиком подвергается кавитационному износу, что снижает межремонтный срок службы клапана.
Таким образом, рассматриваемый запорно-регулирующий клапан характеризуется повышенными габаритными размерами и недостаточными технологичностью и межремонтным сроком службы, что является его недостатком.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является принятый в качестве прототипа запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с двумя исполнительными каналами, в расточке которого установлено седло с уплотнительной фаской и центральным проходным отверстием, соединенным с первым исполнительным каналом клапана, и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, запорной фаской, 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 запорно-регулирующий элемент установлен в корпусе с образованием со стороны его наружной боковой поверхности полости, соединенной со вторым исполнительным каналом клапана, с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с первым исполнительным каналом, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и корпусных деталей дренажной полости, которая соединена с дренажным каналом [2].
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 дренажной. Основные размеры запорно-регулирующего элемента известного клапана, определяющие эффективные площади поверхностей, по которым рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент в его осевом направлении, обеспечивают достижение такого же эффекта, который был указан выше при рассмотрении запорно-регулирующего клапана по техническому решению [1].
Регулирующий хвостовик запорно-регулирующего элемента известного клапана входит в центральное проходное отверстие седла. Его боковая поверхность спрофилирована из условия обеспечения во всем диапазоне изменения площади проходного сечения клапана относительной погрешности регулирования расхода, не превышающей заданную допустимую величину δ.
Наличие в составе известного запорно-регулирующего клапана дополнительного поршня влечет за собой усложнение его конструкции и увеличение длины запорно-регулирующего элемента и размера в осевом направлении клапана в целом, усложняет изготовление клапана (то есть снижает его технологичность). Изготовление профилированной поверхности регулирующего хвостовика является трудоемким процессом. Регулирующий хвостовик, омываясь потоком рабочей жидкости при протекании ее через клапан, подвергается кавитационному износу, что снижает межремонтный срок службы клапана.
Таким образом, рассматриваемый запорно-регулирующий клапан характеризуется повышенными сложностью конструкции и осевым габаритным размером и недостаточными технологичностью и межремонтным сроком службы, что является его недостатком.
Технической задачей, решаемой изобретением, является упрощение конструкции, уменьшение осевого габаритного размера, повышение технологичности и увеличение межремонтного срока службы запорно-регулирующего клапана при обеспечении высокой регулирующей способности клапана и силового воздействия рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана в направлении его закрытия при любых значениях манометрического давления рабочей жидкости в исполнительных каналах клапана.
Для решения поставленной технической задачи в известном запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с двумя исполнительными каналами, в расточке которого установлено седло с уплотнительной фаской и центральным проходным отверстием, соединенным с первым исполнительным каналом клапана, и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, запорной фаской, 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 запорно-регулирующий элемент установлен в корпусе с образованием со стороны его наружной боковой поверхности полости, соединенной со вторым исполнительным каналом клапана, с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с первым исполнительным каналом, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и корпусных деталей дренажной полости, которая соединена с дренажным каналом, согласно изобретению седло выполнено трубчатым, регулирующий хвостовик запорно-регулирующего элемента выполнен в виде кольцевого поршня со сквозными радиальными отверстиями, размещенного в кольцевом зазоре между наружной цилиндрической поверхностью седла и корпусными деталями с образованием полости, которая является дренажной, а диаметры цилиндрических поверхностей запорно-регулирующего элемента связаны следующими соотношениями:
н
где D - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;
шт
D - диаметр штока запорно-регулирующего элемента;
х.н
х.в
D, D - соответственно наружный и внутренний диаметры регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента;
к.в
D - внутренний диаметр поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла.
В частном случае исполнения запорно-регулирующий клапан характеризуется следующим отличительным признаком.
Согласно изобретению при контакте запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла перекрытие корпусными деталями радиальных отверстий, выполненных в регулирующем хвостовике запорно-регулирующего элемента, по отношению к полости, соединенной со вторым исполнительным каналом клапана, является положительным.
Совокупность признаков предлагаемого запорно-регулирующего клапана, состоящая в том, что: седло выполнено трубчатым, регулирующий хвостовик запорно-регулирующего элемента выполнен в виде кольцевого поршня со сквозными радиальными отверстиями, размещенного в кольцевом зазоре между наружной цилиндрической поверхностью седла и корпусными деталями с образованием полости, которая является дренажной, а диаметры цилиндрических поверхностей запорно-регулирующего элемента связаны соотношениями (1) и (2), обеспечивает упрощение конструкции, уменьшение осевого габаритного размера, повышение технологичности и увеличение межремонтного срока службы запорно-регулирующего клапана при обеспечении высокой регулирующей способности клапана и силового воздействия рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана в направлении его закрытия при любых значениях манометрического давления рабочей жидкости в исполнительных каналах клапана. Данный положительный эффект обеспечивается благодаря тому, что в предлагаемой конструкции регулирующий хвостовик, помимо регулирования расхода, выполняет дополнительную функцию: используется для образования дренажной полости, наличие которой создает предпосылки для обеспечения действия результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана в направлении его седла, то есть в направлении закрытия проходного сечения клапана. При этом по сравнению с прототипом отпадает необходимость в использовании дополнительного поршня и, соответственно, упрощается конструкция клапана, уменьшается его осевой габаритный размер, повышается технологичность. Выполнение радиальных отверстий в регулирующем хвостовике, имеющем кольцеобразную форму, технологически проще, чем изготовление регулирующего хвостовика с профилированной боковой поверхностью. Кромки радиальных отверстий в регулирующем хвостовике и ответной корпусной детали, формируемое которыми рабочее окно определяет текущее значение площади проходного сечения клапана, при движении рабочей жидкости со стороны первого исполнительного канала находятся вне зоны кавитации, благодаря чему увеличивается межремонтный срок службы клапана.
Сила гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, действующая в направлении его седла, определяется выражениями:
1
а) со стороны первого исполнительного канала клапана (в самом неблагоприятном случае, когда зона действия избыточного давления р в указанном канале распространяется до регулирующего хвостовика)
2
б) со стороны второго исполнительного канала клапана (в самом неблагоприятном случае, когда зона действия избыточного давления р в указанном канале распространяется до зоны, ограниченной внутренним диаметром поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла)
1
2
Очевидно, что при выполнении неравенств (1) и (2) (при условии, что р≥0 и р≥0) сила гидростатического давления рабочей жидкости со стороны каждого из исполнительных каналов на запорно-регулирующий элемент всегда направлена в сторону седла клапана, благодаря чему исключается возможность самопроизвольного открытия проходного сечения клапана.
Исполнение положительным перекрытия корпусными деталями радиальных отверстий, выполненных в регулирующем хвостовике запорно-регулирующего элемента, по отношению к полости, соединенной со вторым исполнительным каналом клапана, исключает при движении рабочей жидкости со стороны первого исполнительного канала возможность кавитационного износа запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла, что способствует увеличению межремонтного срока службы клапана.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена конструктивная схема запорно-регулирующего клапана.
н
шт
Запорно-регулирующий клапан содержит корпус 1 с двумя исполнительными каналами 2 и 3, первый (2) из которых служит входным, а второй (3) выходным. В расточке корпуса 1 неподвижно установлены направляющая втулка 4 с внутренней ступенчатой цилиндрической поверхностью и трубчатое седло 5 с уплотнительной фаской 6 и центральным проходным отверстием 7, соединенным с входным каналом 2 клапана, и размещен запорно-регулирующий элемент 8 с соосными направляющей цилиндрической частью 9 (имеющей диаметр D,), запорной фаской 10, регулирующим хвостовиком 11 и штоком 12 (имеющим диаметр D), конец которого через уплотненное отверстие в крышке 13, герметично закрывающей корпус 1 клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 8 со стороны, противоположной его седлу 5, выходит за пределы корпуса 1 клапана.
Шток 12 запорно-регулирующего элемента 8 соединен с выходным звеном управляющего привода клапана (на чертеже выходное звено управляющего привода клапана не показано).
x.в
х.н
Регулирующий хвостовик 11 запорно-регулирующего элемента 8 выполнен в виде кольцевого поршня (с внутренним диаметром D и наружным диаметром D) со сквозными радиальными отверстиями 14, расположенными симметрично относительно его оси, которые со стороны внутренней цилиндрической поверхности хвостовика выходят в выполненную в его теле кольцевую канавку 15. На чертеже показан вариант исполнения канавки 15, когда один из ее краев совпадает с внешней границей поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 6 седла 5.
Регулирующий хвостовик 11 размещен в кольцевом зазоре между наружной цилиндрической поверхностью седла 5 и внутренней цилиндрической поверхностью втулки 4 с образованием со стороны своей торцовой поверхности дренажной полости 16. Полость 16 соединена с выполненным в корпусе 1 дренажным каналом 17, в котором давление равно атмосферному (избыточное давление равно нулю).
Запорно-регулирующий элемент 8 установлен с образованием со стороны его боковой поверхности (в месте стыка направляющей цилиндрической части 9 и регулирующего хвостовика 11) полости 18, соединенной с выходным каналом 3 клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента 8, втулки 4 и крышки 13 надклапанной полости 19, соединенной посредством отверстий 20 с входным каналом 2 клапана.
х.н
Регулирующий хвостовик 11 по своей наружной цилиндрической поверхности диаметром D образует с ответной цилиндрической поверхностью втулки 4 золотниковую пару.
При контакте запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 6 седла 5 перекрытие Δ телом втулки 4 радиальных отверстий 14, выполненных в регулирующем хвостовике 11, по отношению к полости 18 является положительным.
Радиальные отверстия 14 имеют исполнение, обеспечивающее необходимый (с точки зрения требуемой точности регулирования расхода рабочей жидкости) закон изменения площади проходного сечения клапана в функции смещения запорно-регулирующего элемента 8 относительно его седла 5 (см., например, статью: Гойдо М.Е., Бодров В.В., Багаутдинов P.M. К вопросу проектирования запорно-регулирующих клапанов гидроприводов прессов // Приводная техника. - 2007. - № 2. - С. 31, формула 27). Они, например, могут иметь треугольную форму с одной из вершин, обращенной в сторону полости 18. Возможно также исполнение отверстий 14 круглой формы и разного диаметра, увеличивающегося по мере увеличения расстояния от отверстия до места стыка регулирующего хвостовика 11 с направляющей частью 9 запорно-регулирующего элемента 8. При любом положении запорно-регулирующего элемента 8 относительно его седла 5 суммарная площадь поперечного сечения отверстий 14, не перекрытая телом втулки 4, меньше площади проходного сечения между запорной фаской 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаской 6 седла 5.
Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом.
н
шт
х.н
х.в
к.в
н
шт
х.н
х.в
к.в
При любом положении запорно-регулирующего элемента 8 клапана относительно его седла 5 рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент 8 с результирующим усилием [см. выражения (1), (2), (3), (4)], направленным в сторону седла 5, благодаря чему: а) исключается возможность самопроизвольного открытия проходного сечения клапана вне зависимости от того, в каком из исполнительных каналов 2 и 3 давление больше; б) при соответствующем выборе диаметров D, D, D, D, D и наличии определенного давления рабочей жидкости обеспечивается закрытие проходного сечения клапана (смещение запорно-регулирующего элемента 8 до контакта его запорной фаски 10 с уплотнительной фаской 6 седла 5) под действием силы давления рабочей жидкости в аварийных ситуациях, например, при нарушении связи штока 12 с выходным звеном управляющего привода клапана (на чертеже выходное звено управляющего привода не показано); в) при соответствующем выборе диаметров D, D, D, D, D достигаются напряжения на поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 6 седла 5, создаваемые под действием силы давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 8, достаточные для обеспечения герметичного разделения входного 2 и выходного 3 каналов клапана.
х.н
При смещении запорно-регулирующего элемента 8 относительно седла 5 посредством управляющего привода клапана (на чертеже управляющий привод не показан) на величину, не превышающую перекрытие Δ телом втулки 4 радиальных отверстий 14, выполненных в регулирующем хвостовике 11, течение рабочей жидкости через клапан практически отсутствует, поскольку радиальный зазор между цилиндрическими поверхностями диаметром D втулки 4 и регулирующего хвостовика 11 обладает большим гидравлическим сопротивлением.
При смещении запорно-регулирующего элемента 8 относительно седла 4 на величину, большую перекрытия Δ, открывается проходное сечение клапана, представляющее собой приоткрытые телом втулки 4 части поперечных сечений радиальных отверстий 14, выполненных в регулирующем хвостовике 11, и имеющее наименьшую площадь на всем пути прохождения жидкости через клапан. Закон изменения площади указанного проходного сечения в функции положения запорно-регулирующего элемента 8 относительно седла 5 определяется исполнением отверстий 14 и обеспечивает требуемые регулировочные характеристики клапана.
Так как к началу открытия проходного сечения клапана запорная фаска 10 запорно-регулирующего элемента 8 оказывается смещенной относительно уплотнительной фаски 6 седла 5 на расстояние, равное величине перекрытия Δ, то площадь канала, образованного фасками 10 и 6, после открытия проходного сечения клапана значительно превышает площадь указанного проходного сечения. Благодаря этому фаски 11 и 5 заведомо располагаются вне зоны кавитационных процессов, возможных на выходе жидкости из отверстий 14 в полость 18 при работе клапана, и не подвергаются кавитационному износу, что способствует повышению их долговечности.
Запорно-регулирующий клапан может быть использован в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.
Источники информации
1. Запорно-регулирующий клапан. Патент на изобретение РФ № 2334906. МКИ F16K 39/02, F16K 47/02, F15B 13/01. Заявлено 2006.12.26. Опубликовано 2008.09.27.
2. Запорно-регулирующий клапан. Патент на полезную модель РФ № 96924. МКИ F16K 39/02, F16K 47/02. Заявлено 2009.02.03. Опубликовано 2010.08.20.