Пилот-регулятор
REGULATING PILOT VALVE

Устройство относится к регулирующей арматуре и может использоваться в системах гидропневмоавтоматики в качестве пилота регулятора (усилителя), работающего совместно с регуляторами давления. Известен пружинный редуктор, настраиваемый на определенный режим работы, состоящий из поршня, штока и тарельчатого клапана, конструктивно связанных между собой (М.В. Добровольский «Жидкостные ракетные двигатели», М.: 1968 г., «Машиностроение», с. 352, рис. 9.13). Недостатком этого устройства является большое усилие управления. Ограниченность режима работы, настраиваемого при изготовлении.
Известен редуктор командный, включающий корпус командный со штоком и пружинами, корпус рабочий с расположенным в нем клапаном, выполненным заодно с командным поршнем и имеющим контактный торец, упирающийся в уплотнительную вставку опоры при разгруженном редукторе. Причем клапан выполнен трубчатым в виде полого цилиндра, командный поршень снабжен закрепленной на нем втулкой с буртом, по обе стороны которого установлены пружины (Садыков Р.А., Правник Ю.И. Редуктор командный. Патент РФ № 2364913, МПК G05D 16/00, опубл. 20.08.2009). Недостатком этого устройства является отсутствие обратной связи с газовой магистралью, давлением в которой управляет редуктор командный, в результате чего снижается точность регулирования давления в газовой магистрали.
Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является регулятор-усилитель спаренный, включающий два цилиндрических корпуса с полостями входного, командного и выходного давлений, клапан-поршень, поршень-шток, сдвоенный клапан, седло, устройство нажимное (патент РФ на полезную модель №147597, МПК G05D 16/00, опубл. 10.11.2014). Недостатком данного устройства является недостаточная чувствительность при знакопеременных нагрузках и точность задания управляющего давления из-за наличия неупругих деформаций уплотнения в системе седло - поршень, малая прочность деформируемых уплотнений при высоких давлениях и циклических нагрузках и их низкая ремонтопригодность вследствие завальцовки уплотнений в элементах конструкции седел.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении ресурса, надежности работы, точности задания командного давления и повышения ремонтопригодности.
Технический результат (вариант 1) достигается тем, что в пилоте-регуляторе, содержащем корпус, щтуцер подачи импульсного газа, крышку с накидной гайкой, моноклапан с двумя коническими поверхностями, седло неподвижное, опирающееся на первую коническую поверхность моноклапана, седло подвижное, опирающееся на вторую коническую поверхность моноклапана, поршень измерительный со штоком, полость командного давления, сообщенную с каналом командного давления, штуцер командного давления, полость давления обратной связи, сообщенную с каналом давления обратной связи, штуцер обратной связи, пружину задающую, пружину толкающую, новым является то, что входной участок седла неподвижного и входной участок седла подвижного, опирающиеся на конические поверхности моноклапана, выполнены в виде тонкостенных цилиндрических обечаек с возможностью упругой деформации при контакте с моноклапаном, а с внутренней стороны непосредственно в местах контакта с коническими поверхностями моноклапана имеют радиус скругления, кроме того, моноклапан установлен с возможностью самоцентрирования относительно седла неподвижного и седла подвижного.
Поршень оснащен вспомогательной пружиной. Моноклапан оснащен тянущей пружиной.
Технический результат (вариант 2) достигается тем, что в пилоте-регуляторе, содержащем корпус, щтуцер подачи импульсного газа, крышку с накидной гайкой, моноклапан с двумя коническими поверхностями, седло неподвижное, опирающееся на первую коническую поверхность моноклапана, седло подвижное, опирающееся на вторую коническую поверхность моноклапана, поршень измерительный со штоком, полость командного давления, сообщенную с каналом командного давления, штуцер командного давления, полость давления обратной связи, сообщенную с каналом давления обратной связи, штуцер обратной связи, пружину задающую, пружину толкающую, новым является то, что измерительный поршень выполнен в виде упругого сильфона, входной участок седла неподвижного и входной участок седла подвижного, опирающиеся на соответствующие конические поверхности моноклапана, выполнены в виде тонкостенных цилиндрических обечаек с возможностью упругой деформации при контакте с моноклапаном, а с внутренней стороны непосредственно в местах контакта с коническими поверхностями моноклапана имеют радиус скругления, кроме того, моноклапан установлен с возможностью самоцентрирования относительно седла неподвижного и седла подвижного.
Моноклапан оснащен тянущей пружиной.
В первом и во втором вариантах имеются следующие общие признаки. Конические поверхности моноклапана имеют угол конусности 8-90 градусов.
Толщина тонкостенных цилиндрических обечаек неподвижного и подвижного седел составляет L=0,2-0,8 мм.
Внутренние поверхности седла подвижного и седла неподвижного в месте контакта с конусной поверхностью моноклапана имеют радиус скругления R=(0,5-1)L.
Внутренняя поверхность седла неподвижного и цилиндрическая поверхность моноклапана образуют щелевой дроссельный канал длиной Н≥2 мм и шириной кольцевой щели ΔN≥0,05 мм.
Штуцер импульсного газа и штуцер давления обратной связи имеют фильтр, а шток содержит контргайку.
На фиг. 1 представлен продольный разрез пилота-регулятора (вариант 1).
На фиг. 2 представлен продольный разрез узла регулирования (варианты 1, 2).
На фиг. 3 представлен фрагмент клапана и тонкостенной цилиндрической обечайки седла (варианты 1, 2).
На фиг. 4 представлен продольный разрез пилота-регулятора с поршнем измерительным в виде сильфона (вариант 2).
вх
ос
к
Здесь: 1 - щтуцер импульсного газа; 2 - корпус; 3 - кольцо уплотнительное; 4 - стакан; 5 - чашка; 6 - полость командного давления; 7 - седло подвижное; 8 - манжета седла; 9 - кольцо направляющее; 10 - фильтр; 11 - штуцер обратной связи; 12 - кольцо опорное; 13 - манжета; 14 - поршень измерительный; 15 - гайка накидная; 16 - опора; 17 - тарель; 18 - контргайка; 19 - шток; 20 - крышка; 21 - пружина задающая; 22 - кольцо; 23 - уплотнение; 24 - полость давления обратной связи; 25 - пружина возвратная; 26 - отверстие дренажное; 27 - стопорное кольцо; 28 - штуцер командного давления; 29 - шплинт; 30 - отверстие; 31- пружина тянущая; 32 - седло неподвижное; 33 - моноклапан; 34 - пружина толкающая; 35 - гнездо монтажное; 36 - опора неподвижная; 37 - опора подвижная; Р - канал подачи импульсного газа; Р - канал давления обратной связи; Р - канал командного давления; α - угол раствора конических поверхностей А и D моноклапана; L - толщина тонкостенных цилиндрических обечаек подвижного и неподвижного седел; R - радиус скругления внутренней кромки неподвижного и подвижного седел; С - щелевой дроссельный канал; F - цилиндрическая поверхность моноклапана; S - внутренняя поверхность седла неподвижного; ΔN - ширина кольцевой щели дроссельного канала.
Пилот-регулятор (по варианту 1) содержит корпус 2, в котором установлены штуцер импульсного газа 1, штуцер командного давления 28, штуцер обратной связи 11 и крышка 20, прикрепленная к корпусу 2 с помощью накидной гайки 15. Внутри корпуса 2 установлены: седло неподвижное 32, стакан 4, кольцо направляющее 9, фиксируемое стопорным кольцом 27 и кольцо опорное 12. В седле неподвижном 32 установлен моноклапан 33 с возможностью осевого и радиального перемещения за счет зазора в канале С неподвижного седла, что обеспечивает самоцентрирование моноклапана 33 при посадке конических поверхностей А и D на поверхности тонкостенных цилиндрических обечаек седел 7 и 32. Моноклапан 33 прижимается конической поверхностью А к седлу неподвижному 32 пружиной толкающей 34 и пружиной тянущей 31, фиксируемой на моноклапане 33 чашкой 5 и шплинтом 29. Внутренняя поверхность S седла неподвижного 32 совместно с цилиндрической F поверхностью моноклапана 33 образуют щелевой дроссельный канал С, через который при открытом моноклапане 33, относительно неподвижного седла 32, обеспечивается дросселирование и поступление газа в полость командного давления 6 и далее через отверстие 30 в штуцер командного давления 28. Седло подвижное 7 помещено внутри направляющего кольца 9 и кольца опорного 12 по скользящей посадке с возможностью перемещения и зафиксировано на поршне измерительном 14, который совместно с корпусом 2 образует полость давления обратной связи 24, соединенную со штуцером обратной связи 11. При открытом положении моноклапана 33, относительно седла подвижного 7, обеспечивается соединение через дренажное отверстие 26 полости командного давления 6 с полостью давления обратной связи 24. Поршень 14 под действием пружины 21, расположенной в крышке 20, прижимает подвижное седло 7 к конической поверхности D моноклапана 33. Прижимающее усилие пружины задающей 21, помещенной между опорой 16 и тарелью 17, регулируется с помощью штока 19, перемещаемого в отверстии с резьбой крышки 20. Положение штока 19 фиксируется контргайкой 18. Между измерительным поршнем 14 и кольцом опорным 12 установлена пружина возвратная 25, предназначенная для компенсации сил трения, возникающих в манжете 8 седла подвижного 7 и манжете 13 поршня измерительного 14 при его разгрузке. В штуцере импульсного газа 1 и в штуцере обратной связи 11 установлены фильтры 10, которые предотвращают попадание в полость пилота-регулятора дисперсных частиц, что повышает надежность работы устройства. Герметичность контакта при посадке конической поверхности А моноклапана 33 на седло неподвижное 32 и конической поверхности D на подвижное седло 7 обеспечивается за счет следующих факторов (фиг. 2):
- упругой деформации тонкостенных обечаек седел 7, 32;
- достаточно большого давления контакта между седлами 7, 32 и моноклапаном 33, вследствие малой площади контакта;
- наличия радиусов скругления R кромки контакта цилиндрических обечаек седел 7 и 32 с моноклапаном 33;
- самоцентрирования моноклапана 33 в седлах 7 и 32. Герметичность неподвижных соединений обеспечивается кольцами уплотнительными 3, герметичность подвижных соединений обеспечивается манжетой поршня 14 и манжетой 8 седла 7.
Отличие пилота-регулятора по варианту 2 (фиг. 4) от пилота регулятора по варианту 1 (фиг. 1) заключается в том, что поршень измерительный выполнен в виде упругого поршня-сильфона 14. Поршень-сильфон 14 герметично соединен с опорой неподвижной 36 и опорой подвижной 37, образуя внутри поршня-сильфона 14 полость давления обратной связи 24, которая через дренажные отверстия 26 в седле подвижном 7 соединяется со штуцером обратной связи 11. Поскольку полость давления обратной связи 24 отделена от элементов управления (пружины 21 и штока 19) кольцом уплотнительным 3, то обеспечивается герметичность полости обратной связи, что повышает надежность работы устройства. При работе поршня-сильфона 14 отсутствует трение при его перемещении и, таким образом, повышается чувствительность и точность задания командного давления.
их
Пилот-регулятор предназначен для подачи управляющего давления в различные агрегаты, преимущественно рабочие регуляторы (расходные регуляторы давления), и управления ими с целью поддерживания заданного давления после регуляторов в газовой магистрали потребителя. В исходном положении, при разгруженной пружине задающей 21 и наличии давления Р в полости штуцера 1, пилот-регулятор закрыт, поскольку моноклапан 33 прижат конической поверхностью А (фиг. 2) к цилиндрической обечайке седла неподвижного 32 вследствие действия давления импульсного газа на моноклапан 33 и усилия, создаваемого тянущей 31 и толкающей 34 пружинами. Седло подвижное 7 при этом может находиться как в контакте с поверхностью D моноклапана 33 в положении «закрыто», так и в положении «открыто». Поскольку кромка внутренней поверхности обечайки седла 32 имеет радиус скругления кромки R, то контакт конической поверхности А моноклапана 33 с седлом неподвижным 32 (фиг. 3) осуществляется по малой поверхности, образующейся вследствие упругой деформации тонкостенной цилиндрической обечайки седла 32 при прижатии к моноклапану 33. Уплотнения типа металл-металл достаточно широко используются в гидравлической арматуре и характеризуются высокой герметичностью при малой площади контактирующих поверхностей. Толщина цилиндрической тонкостенной обечайки седел 7 и 32 зависит от их абсолютных размеров и составляет L=0,2-0,8 мм. При таких размерах вследствие прижатия моноклапана 33 к седлам 7 и 32 будет иметь место упругая деформация их тонкостенных обечаек. При прижатии моноклапана 33 к седлам неподвижному 32 и подвижному 7 в зоне контакта создается достаточно большое давление контакта, обусловленное малой площадью зоны контакта, вследствие чего обеспечивается высокая герметичность и надежность работы моноклапана 33 пилота-регулятора в режиме «закрыто», а контакт пары металл-метал, сопровождающийся упругой деформаций тонкостенных обечаек седел 7 и 32, обеспечивает большой ресурс моноклапана 33 по циклам наработки. Предлагаемая конструкция пилота-регулятора позволяет достаточно просто осуществлять ревизию узлов контакта, что повышает ремонтопригодность. При ревизии устройства для извлечения моноклапана 33 предусмотрено монтажное гнездо 35.
к
вх
к
ос
Настройка пилота-регулятора (варианты 1 и 2) осуществляется путем воздействия на пружину задающую 21 штока 19. При вращении штока 19 в резьбовом отверстии крышки 20 перемещается опора 16 и связанное с ним подвижное седло 7 до контакта с поверхностью D моноклапана 33 (фиг. 2), вследствие чего разобщаются полость командного давления 6 и полость давления обратной связи 24. При дальнейшем нагружении пилота-регулятора и перемещении седла подвижного 7 коническая поверхность А моноклапана 33 отходит от седла неподвижного 32 и открывает канал С. В щелевом дроссельном канале С длиной Н и шириной кольцевой щели ΔN (фиг. 2, 3) происходит дросселирование импульсного газа. Использование в качестве дросселя щелевого кольцевого канала длиной Н≥2 мм с шириной щели ΔN≥0,05 мм обеспечивает стабильную работу пилота-регулятора, снижает интенсивность автоколебаний, характерных для регуляторов с отрицательной обратной связью, и, таким образом, повышает надежность работы пилота-регулятора. Вследствие падения давления в дроссельном канале в полости 6 устанавливается определенная величина командного давления газа в канале Р, которое через отверстие 30 в стакане 4 передается в штуцер командного давления 28. Контргайка 18 предназначена для фиксации положения штока 19 и исключения перенастройки пилота-регулятора вследствие различных возмущающих факторов, что обеспечивает надежность его работы. В зависимости от сжатия и упругости пружин 21,31, 34, давления на входе в пилот-регулятор в канал подачи импульсного газа Р, в канал командного давления Р и давления в канале обратной связи Р в газовом тракте пилота-регулятора устанавливается динамическое равновесие и в полости 6 поддерживается определенная величина командного давления, передаваемая через штуцер 28 в систему управления рабочего редуктора, регулирующего давление в системе потребителя. При этом коническая поверхность D моноклапана 33 прижата к седлу подвижному 7 вследствие усилий сжатия пружин тянущей 31 и пружины толкающей 34. Наличие тянущей пружины 31 улучшает условия самоцентрирования моноклапана 33 в седлах 7 и 32, что повышает надежность работы пилота-регулятора. Вследствие прижатия конической поверхности D моноклапана 33 к седлу подвижному 7 полость командного давления 6 герметично отделена от полости давления обратной связи 24. Конструкция тонкостенной цилиндрической обечайки седла подвижного 7 аналогична конструкции тонкостенной цилиндрической обечайки седла неподвижного 32 (фиг. 3). Таким образом, седло подвижное 7, так же как и седло неподвижное 32, обеспечивает высокую герметичность моноклапана 33 в месте контакта поверхностей и высокий ресурс по циклам наработки.
В случае повышения давления в газовой магистрали потребителя после рабочего редуктора давление обратной связи через штуцер 11 передается в полость 24 и воздействует на поршень измерительный 14 (вариант 1), или поршень-сильфон 14 (вариант 2), заставляя его перемещаться и сжимать пружину задающую 21. Поскольку поршень 14 жестко связан с седлом подвижным 7, то происходит его перемещение, вследствие чего уменьшается поступление импульсного газа в полость командного давления 6 или полностью прекращается поступление импульсного газа при посадке конической поверхности А моноклапана 33 на седло неподвижное 32, и происходит открытие моноклапана 33 в месте касания его конической поверхности D с седлом подвижным 7 (фиг. 2).
Поскольку на всех режимах работы пилота-регулятора командное давление значительно больше давления обратной связи (в магистрали потребителя), то при открытом моноклапане 33 газ из полости командного давления 6 поступает через отверстие дренажное 26 в полость давления обратной связи 24 и далее в штуцер 11, что приводит к уменьшению командного давления, поступающего в систему управления рабочим редуктором. Вследствие понижения давления в полости командного давления 6 изменяются условия динамического равновесия моноклапана 33 и он занимает новое положение (уменьшает проходное сечение дроссельного канала в месте касания поверхности А моноклапана 33 с седлом 32, что приводит к установлению иного (пониженного) командного давления, поступающего через штуцер 28 на управляемый (рабочий) регулятор. При снижении давления в полости обратной связи 24 все процессы проистекают в обратном порядке.
Так как моноклапан 33 имеет в общем случае осевую, радиальную и угловую степени свободы, то как в положении «закрыто», так и в положении «открыто» происходит его самоцентрирование относительно поверхностей седел 7 и 32, что обеспечивает надежность работы пилота-регулятора и точность задания управляющего давления. Вследствие наличия у моноклапана 33 осевой и радиальной степеней свободы на него не действуют силы трения при его перемещении, следовательно, повышаются чувствительность пилота-регулятора и точность задания командного давления.
Толщина цилиндрических стенок подвижного 7 и неподвижного 32 седел задается таким образом, чтобы при контакте конических поверхностей А и D моноклапана 33 с седлами 7 и 32 имела место упругая деформация цилиндрических обечаек седла неподвижного 32 и седла подвижного 7. Рекомендуемая толщина стенок L=0.2-0,5 мм, в зависимости от диаметра седел 7 и 32. Для того чтобы обеспечить герметичность пилота-регулятора в положении закрыто, кромки седел 7 и 32 в месте контакта с конической поверхностью моноклапана 33 имеют радиус скругления R=(0,5÷1)×L. Для обеспечения надежности контакта моноклапана 33 с поверхностью седел 7 и 32 угол конусности α задается в пределах α=8÷90 градусов. Вспомогательная пружина 23 предназначена для компенсации сил трения в манжетах 13 и 8 (вариант 1) при разгружении поршня измерительного 14, что повышает чувствительность командного редуктора и точность задания командного давления при уменьшении давления обратной связи и облегчает перемещение подвижного седла 7 при разгружении пружины задающей 21.
Таким образом, за счет конструктивного решения пилота-регулятора, как в первом, так и во втором вариантах, достигается повышение ресурса, надежности работы, точности задания командного давления, и одновременно предлагаемая конструкция позволяет достаточно просто осуществлять ревизию узлов контакта, что повышает ремонтопригодность.