МЕМБРАННЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

Полезная модель относится к области общего машиностроения, в частности к средствам автоматического управления системами технологического процесса подачи рабочей среды в трубопроводах, транспортирующих жидкие и газообразные среды, а именно к мембранным пневматическим исполнительным приводам для трубопроводных клапанов.
Уровень техники данной области характеризуют разнообразные конструкции трубопроводной арматуры, в частности клапанов, и исполнительных механизмов к ним общепромышленного и специального назначения (см. Д.Ф. Гуревич. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. М.: Машиностроение, 1964; Л.Я. Цикерман, В.В. Шимкович. Проектирование, монтаж и эксплуатация систем автоматики. - М.: Высшая школа, 1971; Т.М. Башта. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. - М.: Машиностроение, 1972; В.И. Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. - М.: Машиностроение, 1980; Д.Ф. Гуревич. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. - П.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987; Промышленная трубопроводная арматура. Каталог. - М.: «ЦИНТИхимнефтемаш», 1992 (с последующими изменениями и дополнениями), часть I-IV; С.Н. Сысоев. Элементы гидравлического и пневматического оборудования: Учеб. пособие. - Владимир: Владим. гос. ун-т, 2001).
Трубопроводные клапаны (по ГОСТ 24856-2014 п. 5.5.2; СТ ЦКБА 123-2019 п. 5.5.2) широко применяются в системах управления технологическими процессами. В общем случае трубопроводный клапан можно использовать для управления проточной текучей средой с целью выведения регулируемого технологического процесса на желаемый уровень, для перемещения или доставки текучей среды от источника в пункт назначения и для решения других подобных задач. В типичном варианте узел трубопроводного клапана содержит корпус, вал и исполнительный механизм, обеспечивающий работу клапана (например, для позиционирования затвора или другого компонента, регулирующего поток, внутри клапана) с передачей тягового усилия через вал.
Обычно пневматические исполнительные механизмы (по ГОСТ 9887-70, СТ ЦКБА 090-2013), использующие пружину и мембрану, определяют термином «мембранные исполнительные механизмы» и вследствие надежности (в соответствии с TP ТС 032/2013) их часто выбирают для применения совместно с трубопроводными клапанами. Как правило, такие исполнительные механизмы имеют корпус, заключающий в себе мембрану, приводной вал и одну или несколько пружин, возвращающих указанный вал в заданное положение при отсутствии управляющего давления, приложенного к мембране. В типичной ситуации на мембранный исполнительный механизм подается переменное давление газа (например, воздуха), прикладываемое к одной стороне мембраны, чтобы переместить вал указанного механизма и тем самым открыть/закрыть трубопроводный клапан или перенастроить его. Управляющее воздействие исполнительного механизма зависит от конфигурации мембраны, а также от параметров возвратных пружин, вала и пластины, обеспечивающей жесткость мембраны. Мембранным исполнительным механизмам можно придать конфигурацию, соответствующую принципу прямого действия, согласно которому повышенное управляющее давление выдвигает мембрану и вал из корпуса. В альтернативном варианте указанные механизмы могут иметь конфигурацию, соответствующую принципу обратного действия. В этом случае повышенное давление воздуха перемещает мембрану и вал исполнительного механизма в обратном направлении. Независимо от модификации управляющего воздействия, осуществляемого в соответствии с конфигурацией мембранного исполнительного механизма, вал его, который можно также рассматривать как шток, механически присоединен или прикреплен к мембране. В типичном варианте концевой участок вала проходит через центральное отверстие мембраны, причем для зажима или какой-то другой фиксации центрального участка мембраны по отношению к валу применяют одну или несколько механических крепежных деталей (например, кольцевых прокладок, гаек, болтов и других подобных элементов). В такой конструкции перемещения или смещения мембраны в ответ на изменения управляющего давления вызывают соответствующие перемещения или смещения вала исполнительного механизма. Чтобы иметь возможность поддерживать уровень управляющего давления на одной стороне мембраны, отверстие, через которое проходит конец вала исполнительного механизма, обычно уплотняют, чтобы предотвратить утечку по периметру вала через указанное отверстие (патент Российской Федерации на изобретение №2461740, по кл. МПК F15B 15/10, стр. 4-5, дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 12.12.2007 г., дата публикации 20.09.2012 г., конвенционный приоритет 22.12.2006 г. US 11/615, 406).
Однако известные технические приемы уплотнения центрального отверстия мембраны, через которое проходит вал, как правило, сводятся к применению относительно сложной и дорогой конструкции кольцевых прокладок, уплотнительных колец и прочих специальных компонентов.
Эта проблема частично решается в одном из примеров, приведенных в описании вышеназванного патента Российской Федерации на изобретение №2461740 (стр. 5-9), где мембрана, предназначенная для применения в мембранном исполнительном механизме, имеет центральное отверстие и расположенный по его периметру уплотнительный выступ, выполненный заодно с мембраной. При этом указанному выступу придана конфигурация, обеспечивающая его герметичное сопряжение с перемещаемым элементом мембранного исполнительного механизма.
Кроме того, из уровня техники известны гидравлические и пневматические исполнительные устройства мембранного типа, в которых основным рабочим элементом служит эластичная мембрана. Данное устройство содержит плоскую мембрану с жестким центром, закрепленную по внешней кромке между двумя корпусными деталями, шток, соединенный с жестким центром мембраны. Мембрана выполняет функции поршня, преобразующего давление рабочей среды в механическое перемещение, и уплотнительного элемента одновременно (см. Л.Я. Цикерман, В.В. Шимкович. Проектирование, монтаж и эксплуатация систем автоматики. - М.: Высшая школа, 1971, стр. 67, рис. 20).
Основные недостатки данного устройства: малый рабочий ход, непостоянство рабочего усилия от перемещения и значительные габариты, что ограничивает область применения данных устройств.
Известно исполнительное устройство с гофрированной (чашеобразной, в исходном состоянии) мембраной. В этом устройстве мембрана, отформованная в виде эластичного цилиндра с дном, также снабжена жестким центром со штоком и закреплена между торцами цилиндрических корпусов, образующих рабочий цилиндр. При работе устройства под действием рабочего давления мембрана выжимается в зазор между жестким центром и стенкой цилиндра и образует гофру, которая обеспечивает данному устройству значительное увеличение рабочего хода по сравнению с устройствами с плоской мембраной (см. Л.Я. Цикерман, Шимкович В.В. Проектирование, монтаж и эксплуатация систем автоматики. - М.: Высшая школа, 1971, стр. 69, рис. 22).
Основной недостаток данного устройства заключается в том, что при перемещении жесткого центра перемещается и гофра мембраны, а учитывая, что при образовании гофры мембрана выворачивается вовнутрь и в стенках мембраны возникают внутренние напряжения, появляется значительное внутреннее трение в стенках мембраны. Для увеличения рабочего давления мембраны изготавливают из прорезиненных мембранных полотен, которые имеют небольшую эластичность. Однако при многократных рабочих циклах, особенно при низких температурах, данное устройство имеет недостаточную надежность из-за расслоения полотна и потери герметичности.
Эта проблема частично решается в известном из уровня техники мембранном приводе, содержащем чашеобразную эластичную мембрану с жестким центром и штоком, закрепленную между двумя цилиндрами, цилиндры расположены коаксиально друг относительно друга, мембрана выполнена из двух отдельных слоев, внутреннего герметичного из морозостойкого материала и наружного тканого, при этом мембрана со стороны боковой поверхности закреплена в проточках внутреннего цилиндра, причем конец наружного слоя мембраны переплетен между эластичными кольцами и поджат к стенке наружного цилиндра, а поверхность мембраны со стороны ее основания зажата между дном штока, кольцевым выступом упорной шайбы и опорным кольцом, размещенных на штоке, причем на обеих сторонах опорного кольца выполнены проточки, а на внутреннем слое мембраны кольцевые утолщения, форма мембраны, на половине рабочей длины в ее исходном состоянии, выполнена конической с углом 3…10° (патент Российской Федерации на изобретение №2225960, по кл. МПК F16K 31/126, дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 29.08.2001 г., дата публикации 20.03.2004 г.).
Из уровня техники также известен мембранный привод (см. С.Н. Сысоев. Элементы гидравлического и пневматического оборудования: Учеб. пособие. -Владимир: Владим. гос. ун-т, 2001, стр. 32), где для получения требуемого усилия на штоке от давления рабочей среды мембрану выполняют с жестким центром, а также опорой, увеличивающей ее эффективную площадь.
Однако увеличение размера жесткого центра относительно мембраны сопровождается двумя противоположными процессами. С одной стороны, чем больше ограничивается изгибная деформация центральной части мембраны, приводящая к увеличению ее эффективной площади, тем больше создаваемая давлением рабочей среды сила на штоке. С другой стороны, уменьшается величина деформируемой части мембраны, что приводит к уменьшению величины хода штока (см. С.Н. Сысоев, А.А. Воздуган, Д.М. Тестов. Исследование влияния негнущейся опоры на характеристики одномембранного привода. // Успехи современной науки. Международный научно-исследовательский журнал, №1, 2018, стр. 34-39). Кроме этого, данный привод имеет нежесткую характеристику положения штока от нагрузки, а усилие на штоке регулируют только величиной давления рабочей среды. Все это ограничивает функциональные возможности привода.
Известен мембранный привод, в котором для управления используют эффективную площадь мембраны (см. С.Н. Сысоев, А.А. Воздуган. Метод управления приводом. // Вестник машиностроения, 2017, №5, стр. 35-37; патент Российской Федерации на изобретение №2623080, по кл. МПК F16K 31/145, дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 05.11.2014 г., дата публикации 21.06.2017 г.).
В другом известном одномембранном приводе (см. С.Н. Сысоев, А.А. Воздуган, С.А. Фуртиков. Одномембранный привод с встроенной в мембрану опорой штока. // Современные наукоемкие технологии, №7, 2018, стр. 120-125) в мембрану встроена опора штока, выполненная в виде камеры, соединенная с линией избыточного давления рабочей среды. Данное техническое решение позволяет регулировать изгибную жесткость опоры штока, изменяя эффективную площадь мембраны, что расширяет функциональные возможности привода.
Однако данные приводы имеют нежесткую характеристику положения штока от нагрузки и сложное конструктивное исполнение мембраны, что ограничивает их функциональные возможности.
Эта проблема частично решается в известном из уровня техники мембранном приводе, включающем мембрану, соединенную со штоком, где на штоке закреплен упор с возможностью перемещения вдоль него и регулирования расстояния до мембраны (патент Российской Федерации на полезную модель №162577, по кл. МПК F16K 31/145, дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 10.04.2015 г., дата публикации 20.06.2016 г.). Данный привод имеет более жесткую характеристику положения штока от нагрузки, так как увеличение нагрузки приводит к увеличению площади контакта упора с мембраной, что увеличивает ее эффективную площадь. Регулируют эффективную площадь мембраны перемещением упора относительно мембраны, что приводит к увеличению усилия на штоке в конце его прямого хода (см. С.Н. Сысоев, А.А. Воздуган, Д.М. Тестов. Исследование одномембранного привода с ограничителем изгибной деформации мембраны. //Современные наукоемкие технологии, №6, 2018, стр. 144-149).
Однако, реализация данной функции требует установки на штоке привода упора, что значительно усложняет конструкцию, управление и увеличивает его массогабаритные характеристики.
Эта проблема частично решается в известном из уровня техники мембранном приводе, включающем мембрану, ограничивающую рабочую камеру, выполненную с возможностью соединения с линией избыточного давления рабочей среды, и соединенную со штоком с закрепленным на нем упором, между упором и мембраной дополнительно установлена гибкая оболочка, образующая герметичную камеру, выполненную с возможностью соединения с линией избыточного давления рабочей среды (патент Российской Федерации на изобретение №2697601, по кл. МПК F16K 31/145, F15B 15/10 дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 26.10.2018 г., дата публикации 15.08.2019 г.).
Из уровня техники также известны и другие примеры технических решений для мембранных исполнительных механизмов, запатентованных в Российской Федерации (в том числе по РСТ): RU 2322628 С2, 26.08.2003; RU 2496043 С2, 25.11.2008; RU 2577432 С2, 17.05.2011; RU 2602728 С2, 17.02.2012; RU 2672235 С2, 25.02.2015; RU 2706868 С2, 17.03.2015; RU 2734378 С2, 20.01.2017; RU 156938 U1, 02.02.2015; RU 183623 U1, 05.10.2017; и др.
Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа заявленной полезной модели, является механизм управления клапанами с корпусом, выполненным, по существу, непористым из цветного металла и используемый совместно с клапаном, содержащий первую штампованную алюминиевую часть корпуса, имеющую первый фланец по своему периметру; и вторую штампованную алюминиевую часть корпуса, имеющую второй фланец по своему периметру, причем в первом и втором фланцах предусмотрен ряд отверстий, выполненных таким образом, что, по меньшей мере, часть отверстий первого фланца соответствует, по меньшей мере, части отверстий второго фланца, при этом соответствующие отверстия обеспечивают прием крепежных элементов для соединения указанных первой и второй частей корпуса с образованием корпуса механизма управления клапанами (патент Российской Федерации на полезную модель №107315, по кл. МПК F16K 31/126, G05D 16/06 дата подачи заявки и дата начала отсчета срока действия патента 20.07.2005 г., дата публикации 10.08.2011 г., конвенционный приоритет 23.07.2004 г. US 60/590,741).
Кроме того, в первоначальной заявке на изобретение заявлялось устройство, в котором корпус механизма управления клапанами, предназначенный для размещения диафрагмы и пластины диафрагмы и используемый совместно с клапаном, содержит первую часть; первый фланец по периметру первой части; вторую часть; второй фланец по периметру второй части, причем в каждом из первого и второго фланцев выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, и предусмотрено, по меньшей мере, одно крепежное устройство для соединения первого и второго фланцев через их соответствующие отверстия, при этом форма и толщина первой и второй частей выбраны из условия обеспечения близкого соответствия профилю диафрагмы и пластины диафрагмы (заявка на патент Российской Федерации на изобретение №2007104787, по кл. МПК F16K 31/126, дата подачи заявки 20.07.2005 г., дата публикации заявки 10.09.2008 г., решение об отказе в выдаче патента 12.10.2010 г.).
Мембранный исполнительный механизм этой конструкции также имеет технические проблемы, решение которых обеспечивается при осуществлении заявленной полезной модели, поскольку данный исполнительный механизм имеет ограниченные функциональные возможности из-за неопределенности способа крепления мембраны (диафрагмы) к корпусу и размера эффективной площади мембраны (диафрагмы).
Общей технической проблемой известных мембранных исполнительных механизмов является тот факт, что при перемещении центра мембраны перемещается и гофра мембраны, а учитывая, что при образовании гофры мембрана выворачивается вовнутрь и, как следствие, в стенках мембраны возникают внутренние напряжения и значительное внутреннее трение в стенках мембраны, поэтому при многократных рабочих циклах, особенно при низких температурах, данные устройства имеют недостаточную надежность из-за расслоения полотна мембраны и потери ее герметичности.
Причиной, препятствовавшей разработке нового мембранного исполнительного механизма, является то, что при сборке известных устройств возникает неопределенность деформаций по опорным поверхностям мембраны, что снижает надежность механизма в целом.
Таким образом, существует необходимость создания нового мембранного исполнительного механизма, который включает в себя все преимущества известных мембранных пневматических исполнительных приводов, при этом дополнительно обеспечивает минимальный износ и максимальную герметичность мембраны, а следовательно, и исполнительного механизма в целом.
Решение вышеуказанных технических проблем, в частности, у прототипа заявленной полезной модели, обеспечивается в конструкции мембранного исполнительного механизма, который состоит из находящихся в функционально-конструктивном единстве верхней части корпуса, имеющей первый фланец по своему периметру, и нижней части корпуса, имеющей второй фланец по своему периметру, причем в первом и втором фланцах предусмотрен ряд отверстий, выполненных таким образом, что, отверстия первого фланца соответствуют отверстиям второго фланца, при этом отверстия обеспечивают прием крепежных элементов для соединения указанных верхней и нижней частей корпуса с образованием единого корпуса, приводного штока, чашеобразной эластичной мембраны, разделяющей верхнюю и нижнюю часть корпуса на две камеры и имеющей только одно отверстие, а именно -центральное для крепления приводного штока, и расположенный по периметру отверстия уплотнительный выступ, выполненный заодно с мембраной, тарелки мембраны, выполненной в виде металлической пластины, обеспечивающей жесткую основу мембраны и способствующей образованию герметичного сопряжения между указанным утолщением мембраны и приводным штоком, а также по меньшей мере двух возвратных пружин, закрепленных между тарелкой мембраны и одной из частей корпуса, отличающийся тем, что по периметру внешних краев мембраны выполнено кольцевое утолщение, а по периметру верхней и нижней частей корпуса перед отверстиями для крепежных элементов фланцы выполнены в виде пазов U-образной (полутрубчатой) формы в поперечном сечении из условия обеспечения близкого соответствия профилю утолщения внешних краев мембраны с обеспечением герметичного сопряжения между ними. Кроме того, при сборке устройства «растяжка» опорной поверхности мембраны по периметру верхней и нижней частей корпуса до формы круга, а также исключение ее взаимодействия со внешней средой путем сопряжения утолщения внешних краев мембраны и пазов на верхней и нижней частях корпуса значительно снижает возможность появления деформаций по опорным поверхностям мембраны, при этом сохраняя эффективную площадь мембраны.
Таким образом, техническим результатом является обеспечение в полезной модели минимального износа и максимальной герметичности мембраны при эксплуатации привода, что повышает надежность исполнительного механизма в целом.
Сущность заявленной полезной модели (мембранного исполнительного механизма) и возможность ее практической реализации поясняется на фиг. 1, 2, 3 и 4, где:
фиг. 1 - общий вид мембранного исполнительного механизма нормально-закрытого в поперечном сечении;
фиг. 2 - общий вид мембранного исполнительного механизма нормально-открытого в поперечном сечении;
фиг. 3 - присоединение привода к клапану;
фиг. 4 - укрупненная поз.4 присоединения привода к клапану.
Позициями на фигурах обозначены:
1.1 - крышки корпуса (верхняя и нижняя);
1.2 - гайка по ГОСТ 11871-88;
1.3 - мембрана;
1.4 - винт с шестигранной головкой по ГОСТ Р ИСО 4017-2013;
1.6 - гайка шестигранная нормальная по ГОСТ ISO 4032-2014;
1.8 - возвратные пружины;
1.13 - гайка стопорная по ГОСТ 11871-88;
1.14 - тарелка мембраны;
1.18 - приводной шток;
1.19 - направляющая втулка с уплотнением;
1.20 - диск;
3.9 - разрезанное кольцо;
3.10 - шайба;
4 - муфта;
4.2 - регулировочный винт;
4.3 - поперечный винт.
Общая конструкция мембранного исполнительного механизма (фиг. 1 и 2) состоит из находящихся в функционально-конструктивном единстве верхней части корпуса (1.1), имеющей первый фланец по своему периметру, и нижней части корпуса (1.1), имеющей второй фланец по своему периметру, причем в первом и втором фланцах предусмотрен ряд отверстий, выполненных таким образом, что отверстия первого фланца соответствуют отверстиям второго фланца, при этом отверстия обеспечивают прием крепежных элементов (1.4 и 1.6) для соединения указанных верхней и нижней частей корпуса (1.1) с образованием единого корпуса (1.1). Перед отверстиями для крепежных элементов (1.4 и 1.6) фланцы верхней и нижней частей корпуса (1.1) выполнены в виде пазов U-образной (полутрубчатой) формы в поперечном сечении. Между верхней и нижней частями по периметру корпуса (1.1) в пазах зажата мембрана (1.3) из специальной армированной тканью резины, либо селикона, разделяющая верхнюю и нижнюю часть корпуса (1.1) на две камеры. Мембрана (1.3) имеет одно центральное отверстие для крепления приводного штока (1.18), и опирается внутри корпуса (1.1) на тарелку мембраны (1.14), также соединенную с приводным штоком (1.18). Между тарелкой мембраны (1.14) и одной из частей корпуса (1.1) закреплены возвратные пружины (1.8).
Конструкция мембранного исполнительного механизма работает следующим образом. Тарелка мембраны (1.14) находится под давлением возвратных пружин (1.8), в то время как давление воздуха подается с обратной стороны мембраны (1.3). Регулировка хода приводного штока (1.18) осуществляется путем изменения давления воздуха. В зависимости от положения установки возвратных пружин (1.8), ход приводного штока (1.18) может быть либо прямого, либо обратного действия. Можно легко изменить действие исполнительного механизма, используя одни и те же детали.
Количество возвратных пружин (1.8) зависит от необходимого усилия, передаваемого на приводной шток (1.18). Возвратные пружины (1.8) абсолютно идентичны и расположены равномерно по всему периметру относительно оси крышек корпуса (1.1). Возвратные пружины (1.8) сконструированы так, что они полностью используют доступное пространство на конце хода, при этом сохраняют максимально возможное усилие. Трубопроводные клапаны и мембранные исполнительные механизмы согласовываются в номинальных ходах. Если исполнительные механизмы используются для меньшего номинального хода, то усилие возвратных пружин (1.8) должны учитываться в соответствии с новыми конечными точками хода.
В нормально-закрытом мембранном исполнительном механизме (фиг. 1) на тарелку мембраны (1.14) сверху оказывает давление от 2 до 6 возвратных пружин (1.8). Для обеспечения закрытого положения, возвратные пружины (1.8) должны иметь дополнительную предварительную нагрузку 2-5 мм («холостой ход»). Управляющее давление воздуха воздействует на нижнюю часть мембраны (1.3). Повышенное управляющее давление воздуха выдвигает мембрану (1.3) в сторону верхней крышки корпуса (1.1), через тарелку мембраны (1.14) сжимает возвратные пружины (1.8) и перемещает приводной шток (1.18) внутрь корпуса (1.1) исполнительного механизма.
В нормально-открытом мембранном исполнительном механизме (фиг. 2) возвратные пружины установлены под тарелкой мембраны, а давление воздуха действует на верхнюю часть мембраны. В этом случае повышенное управляющее давление воздуха перемещает мембрану и приводной шток исполнительного механизма в обратном направлении.
Мембранные исполнительные механизмы присоединяются к клапану с помощью литого бугеля или опоры выполненной из проката. Соединение приводного штока (1.8) мембранного исполнительного механизма со штоком клапана происходит с помощью муфты (поз. 4 на фиг. 1, фиг. 3 и 4). Муфта позволяет без зазоров соединять оба штока, избегая проблем с несоосностью. Таким образом тарелка мембраны (1.14) передает поступательное движение штоку клапана.
Мембранные исполнительные механизмы могут быть дополнительно оснащены ручными дублерами, которые соединены со свободным концом приводного штока (1.18). При проблемах с пневматической системой, когда прекращается подача воздуха или при дефекте мембраны (1.3) и разгерметизации исполнительного механизма, клапан может быть установлен в необходимое положение с помощью ручного дублера. Для нормально-закрытого мембранного исполнительного механизма используется вытягивающий ручной дублер. Для нормально-открытого мембранного исполнительного механизма используется втягивающий ручной дублер. Ручной дублер может быть в двух исполнениях: с верхним (осевым) расположением ручного дублера (через маховик с помощью трапецеидальной резьбы); с боковым расположением (с помощью конического редуктора).
Известных решений, содержащих сходные отличительные признаки полезной модели, автором не обнаружено.