Защитный автоматический клапан
SAFETY AUTOMATIC VALVE

Данный защитный автоматический клапан предназначен для защиты вентиляционных, воздухозаборных и газовыхлопных отверстий от проникновения в них воздушных ударных и тепловых волн высокой активности.
Из зарубежной патентной документации известны защитные клапаны, к которым относятся, в частности, раскрытая в описании патента GB 586341 А вентиляционная установка, имеющая множество впускных и выпускных клапанов, соединенных с системой воздушных каналов, при этом установка отличается наличием перегородки, имеющей сопротивление потоку, адаптированному так, чтобы была разница между внешним и внутренним давлением воздуха. В одном исполнении перегородка, вставленная рядом с клапаном в воздушный канал, содержит две стенки и расположена внутри прямоугольного или круглого барабана из листового металла. Стенки выполнены с продольными отверстиями, из которых одни отверстия имеют больший диаметр. Горловина барабана закрыта перфорированной пластиной. Описано несколько других устройств перегородки, таких как множество пластин с прорезями, размещенных одна за другой; множество пластин, имеющих перфорацию в виде конических сопел, сужающихся в направлении воздушного потока; множество пластин, расположенных в шахматном порядке для образования зигзагообразного канала для воздушного потока, и две пластины, снабженные трубчатыми соплами. Трубы первой пластины перекрывают трубы второй пластины, так что воздушный поток не имеет прямого пути. Устройство клапана содержит внутреннюю и внешнюю клапанные пластины, расположенные на винте, ввинченном в крестовину, при этом пластины управляют проходными сечениями внутренних и внешних отверстий (GB 586341 А, 14.03.1947).
В описании патента US 4383477 А раскрыто защитное устройство для предотвращения подачи в помещение неочищенного наружного воздуха, которое имеет седло клапана, корпус клапана, средства для соединения вентилятора с внешним воздуховодом и средства управления для изменения положения корпуса клапана. Стационарные опорные элементы связаны с корпусом клапана через муфту, которая при повторяющихся управляющих импульсах от средств управления поочередно переводит корпус клапана во внешнее положение и возвращает его во внутреннее положение. Обе эти позиции выбраны таким образом, чтобы внутреннее отверстие соответствовало минимальной потребности в вентиляции помещения, а внешнее - потребности в вентиляции с находящимися людьми в помещении (US 4383477 А, 17.05.1983).
В патенте DE 2000254 A раскрыто вентиляционное устройство с пластинчатой поверхностью - с расположенными на расстоянии друг от друга вентиляционными элементами, которые могут взаимно перемещаться по отношению к неподвижным направляющим элементам, которые образуют вентиляционные прорези, причем направляющие элементы объединены для образования двухстенного направляющего профиля, как в во внутренней стене, так и во внешней стене на расстоянии от нее расположены вентиляционные прорези, вентиляционные элементы представляют собой отдельные профили планок, которые удерживаются вместе соединительным профилем, а соединительный профиль - сторона внутренней стенки, обращенная от внешней стенки направляющего профиля, расположена и выступает с выступами для удержания пластинчатых профилей в вентиляционных отверстиях во внутренней стене (DE 2000254 A, 30.09.1971).
В патенте US 3782050 А раскрыта сборка жалюзи для установки в здании, которая включает в себя множество пластинок жалюзи, установленных в наклонных положениях с наклоном вниз от задней части к передней части. Каждая из пластин жалюзи включает в себя удлиненный желоб с открытым верхом, имеющий ромбовидное поперечное сечение, которое проходит вдоль нижнего края пластинок жалюзи. Каждая из лопастей жалюзи также имеет вертикальный подъем вдоль своей средней области (US 3782050 А, 01.01.1974).
В известной конструкции устройства перекрытия воздушного канала, раскрытого в патенте RU 134299 U1, устройство содержит раму, модуль из перекрывающих элементов (лопаток), установленных с возможностью поворота под действием давления воздушного потока, причем каждая лопатка нагружена по длине автономным элементом, причем лопатки расположены под углом к потоку воздуха и прикреплены к осям, которые установлены в боковинах рамы, с возможностью совершения вращения, причем для ограничения поворота лопаток внизу рамы установлен упор, а вверху рамы установлены две прижимные планки, при этом нагрузочные автономные элементы выполнены в виде противовесов, закрепленных с одной стороны каждой оси при помощи фиксаторов на регулировочных шпильках. Лопатки имеют изогнутую зигзагообразную форму (RU 134299 U1, 10.11.2013).
Из рекламной публикации известен защитный автоматический клапан типа ЗКА для защиты воздухозаборных и вентиляционных отверстий, содержащий забетонированную в проеме сооружения закладную деталь, опору клапана, электропривод запирания запорных элементов клапана, а также ручной привод запирания запорных элементов (Защитный клапан автоматический ЗКА. Каталог компании ММЗСО. 2015-2020. Интернет http://mmzso.ru/production/klapani/klapani_germeticheskie_ventilyatsionnie_ma_01005/.2020).
Известен противовзрывной защитный клапан для воздухозаборных и выхлопных труб фортификационных сооружений, состоящий из корпуса, решетки, лопастей и пружинно-рычажных механизмов, причем с целью отсечения воздушного (газового) тракта от наружной воздушной среды при воздействии избыточного давления и разрежения, в нем применены две группы подвижных лопастей, одной из которых перекрыты отверстия решетки при действии избыточного давления, а другой группой, расположенной с обратной стороны решетки, перекрыты отверстия при действии разрежения. Решетка имеет V-образную форму. Подвижные лопасти размещены в исходном положении параллельно направлению воздушного (газового) потока (RU 301102 А1, 27.10.1999).
В патенте RU 2240476 С2 раскрыто защитное устройство для защиты сооружений гражданской обороны в целях предотвращения проникновения через них ударной волны ядерного взрыва или для снижения воздействия ударной волны, более конкретно, касающееся конструкций противовзрывных устройств, предназначенных для их установки в воздухозаборных и вытяжных каналах защитных сооружений, и которое включает опорную раму с фланцем, выполненную в виде опорной решетки, к которой шарнирно прикреплены подпружиненные пружинами лопасти под фиксированным наклонным углом к решетке, например, под углом 45°, и рамку фиксации указанного угла. Подпружиненные лопасти выполнены с профилем кромок, которые при сопряжении друг с другом в закрытом положении образуют лабиринтные каналы (RU 2240476 С2, 20.11.2004).
В описании патента RU 2147357 С1 раскрыта саморегулирующая жалюзийная решетка для естественной вытяжной вентиляции зданий с приводом от перепада давления до и после решетки, которое воспринимается взаимно связанными сильфонами, установленными соответственно в помещении и за решеткой в вытяжном канале. Результирующее перемещение штока привода от сильфона посредством тяг передается посредством тяг на жалюзи, поворачивая их соответственно изменяющемуся перепаду давления (RU 2147357 С1, 04.10.2000).
Из известных устройств близким к представленному в данном описании изобретению является конструкция ЗАО «Московский Механический Завод Специального Оборудования» - защитный автоматический клапан, содержащий корпус, установленные в корпусе опорную неподвижную решётку и расположенную над ней подвижную решетку, концентрично расположенные в каждой решетке щели, между которыми выполнены кольцевые перемычки таким образом, что щели неподвижной решетки расположены под перемычками подвижной решетки с возможностью закрытия этими перемычками щелей неподвижной решетки. Подвижная решетка связана с подпружиненным относительно корпуса штоком, последний связан с расположенным под углом к штоку подпружиненной тягой с уступом на ее конце, взаимодействующим с клиновым скосом штока, который выполнен в пазу штока, на конце штока, расположенного за пределами корпуса над подвижной решеткой, закреплена подпружиненная пружиной относительно корпуса шайба. В корпусе шарнирно закреплен L-образный двуплечий рычаг, одно плечо которого контактирует с нижним концом штока, а другое его плечо контактирует с расположенным в корпусе концом тяги, при этом в корпусе установлено средство связи тяги с приводом ее перемещения и фиксации тяги в ее рабочем положении (RU 2353859 С1, 27.04.2009 - прототип).
Общими признаками прототипа и представленного в данном описании изобретения являются такие признаки, что оба решения относятся к защитным автоматическим клапанам, каждый из которой содержит корпус опоры, секции корпуса, в каждой из которых имеется сквозной паз для прохождения воздушной среды, а также взаимодействующие с корпусом связанные между собой подвижные элементы, соединенные с приводом их перемещения и перекрывающие сквозные пазы корпуса.
Недостатком раскрытого в патенте RU 2353859 С1 решения является неудовлетворительная герметичность перекрывания воздуховода, связанная как с кинематическими особенностями привода рабочего перекрывающего элемента (элементов), служащего для закрывания воздуховода, так и с конструкцией рабочего элемента, габариты которого не обеспечивают его плотное прилегание к ответной части рабочего элемента (прилегание подвижной решетки к неподвижной решетке). Это связано с тем, что большая площадь каждого рабочего элемента, воспринимающая на себя большую нагрузку ударной воздушной волны, может быть в значительной мере подвержена изгибам, приводящим к разгерметизации клапана, снижению его защитных функций и надежности.
Техническим результатом представленного в данном описании изобретения является повышение надежности клапана.
Технический результат получен защитным автоматическим клапаном, содержащим корпус опоры, секции корпуса, в каждой из которых имеется сквозной паз для прохождения воздушной среды, а также взаимодействующие с корпусом связанные между собой подвижные элементы, соединенные с приводом их перемещения и перекрывающие сквозные пазы корпуса, причем каждый подвижный элемент выполнен в виде шарнирно соединенной с корпусом планки, имеющей закреплённый на ней кулачок с наклонной поверхностью, привод выполнен в виде зубчатой рейки, зуб каждой рейки имеет наклонную поверхность и расположен с возможностью взаимодействия с наклонной поверхностью кулачка планки, при этом рейка связана с электромагнитным приводом её перемещения и с ручным приводом её перемещения посредством штока электромагнитного привода, шток расположен в ползуне маховика ручного перемещения рейки, причем в проушинах на нижней поверхности каждой секции опоры расположена ось, на которой шарнирно закреплена планка с возможностью её поворота в вертикальной плоскости относительно корпуса опоры, зубья зубчатой рейки последовательно закреплены на рейке и наклонная поверхность каждого зуба находится в постоянном контакте с наклонной поверхностью кулачка соответствующей планки.
Электромагнитный привод зубчатой рейки содержит шток тягового электромагнита с катушкой, стопор штока, тягу и связанный со штоком ручной привод, дублирующий автоматический привод на случай обесточивания, указанные привода размещены в корпусе, который соединен с корпусом опоры, тяга подпружинена пружиной и шарнирно соединена с рейкой, шток соединен с тягой регулируемой муфтой, содержащей пружинный демпфер, на штоке закреплён с возможностью регулирования положения штока упор для взаимодействия со стопором, имеющем электромагнит с катушкой и шток с закреплённым на его конце стопором, при этом между торцом стопора и корпусом электромагнитного привода размещена пружина стопора, поджимающая стопор к поверхности упора, а на тяге закреплен регулируемый упор с возможностью его перемещения по тяге и фиксации на ней.
Ручной привод клапана содержит ползун, расположенный в ступице маховика привода, в ползуне подвижно расположен шток тягового электромагнита, а на выходящем из ползуна конце штока жёстко закреплено кольцо, взаимодействующее с ползуном при закрывании клапана вручную.
На фиг. 1 показан защитный автоматический клапан, расположенный в воздуховоде строения.
На фиг. 2 - кинематическая схема клапана (планки клапана открыты).
На фиг. 3 - кинематическая схема клапана (планки клапана закрыты).
Защитный автоматический клапан (фиг. 1) содержит корпус опоры 1, соединённые с опорой 1 планки 2, зубчатую рейку 3 (фиг. 2), зубья которой расположены с возможностью взаимодействия с планками 2. Рейка 3 установлена на опоре с возможностью перемещения в продольном направлении в направляющих опоры.
Корпус опоры 1 установлен в проёме вентилируемого строения, при этом опора 1 представляет собой сборную конструкцию, состоящую из нескольких секций, соединённых друг с другом болтовыми соединениями. В каждой секции имеются сквозные окна, через которые проходит рабочая воздушная среда. В проушинах на нижней поверхности каждой секции, расположена ось, на которой шарнирно закреплена планка 2. При повороте планки по часовой стрелке до касания поверхности опоры 1 планка имеет возможность перекрывать окно секции опоры 1. На оси каждой планки имеются по две пружины кручения, один конец пружины упирается в опору, а второй закреплён на планке. Пружины создают крутящий момент, используемый для поворота планки.
Электромагнитный привод содержит шток 4 тягового электромагнита, катушку 5 тягового электромагнита, стопор 6, тягу 7 и ручной привод 8 (дублёр автоматического привода). Элементы привода размещены в корпусе, который при помощи крепёжных элементов соединён с клапаном. Тяга 7 электромагнита шарнирно соединена с рейкой 3. Шток 4 соединён с тягой 7 регулируемой муфтой 9, содержащей пружинный демпфер. На штоке 4 закреплён с возможностью регулирования положения штока упор 10 для ограничения перемещений стопора 11.
Электромагнит 6 стопора 11 содержит катушку 12, шток 13 с закреплённым на его конце стопором 11, и пружину 14, которой подпружинен стопор 11. Пружина 14 расположена между торцом стопора 11 и корпусом опоры 1 так, что она поджимает стопор 11 к поверхности упора 10. Конструкция привода содержит 11.
Ручной привод 8 клапана (дублёр автоматического привода) является частью привода, и он содержит ползун 15 и ступицу 16 маховика. Ступица имеет на внутренней поверхности резьбу, а на наружной - проточку, в которую входит кольцевой выступ корпуса, препятствующий осевому перемещению ступицы. Ползун 15 имеет на наружной поверхности резьбу, которой он соединён со ступицей маховика 16, а на внутренней поверхности ползуна имеется шпоночный паз, при помощи которого ползун соединён со штоком 4 тягового электромагнита посредством шпонки.
Шток 4 может перемещаться в осевом направлении относительно ползуна 15. На левом конце штока 4 жёстко закреплено кольцо 17, служащее упором для ползуна 15 при закрывании клапана вручную. На тяге 7 закреплён регулируемый упор 23 с возможностью его перемещения по тяге и фиксации на тяге, при этом тяга 7 подпружинена в осевом направлении пружиной 18.
Клапан имеет несколько планок 2, каждая из которых закреплена на оси 19 с возможностью поворота планки в вертикальной плоскости и закрывания пазов 20, которые выполнены в опоре 1 и служат для прохождения воздушной среды.
Клапан имеет кулачки 21 (фиг. 2) с наклонными поверхностями, при этом кулачки закреплены на планках 2, а зубчатая рейка 3 имеет зубья 22, являющиеся частью зубчатой рейки 3, при этом наклонные поверхности зубьев 22 постоянно контактируют и функционально взаимодействуют с наклонными поверхностями кулачков 21.
Наклонные поверхности кулачков и планок находятся в постоянном контакте скольжения между собой, при этом смежные планки и кулачки попарно соединены друг с другом известным образом с возможностью скольжения так, что каким бы ни был угол наклона корпус клапана - каждый кулачок и смежная с ним планка всегда находятся в контакте друг с другом.
На схеме расположения клапана (фиг. 1) показаны клапанный узел 24, содержащий множество рабочих элементов клапана - планок 2 и узел 25 привода клапанного узла. Узел 24 клапана расположен в воздушной полости 26, сообщённой с воздуховодом, через который на клапан действует воздушная ударная волна, показанная позицией 29.
Узел 25 клапана расположен в воздушной полости 27, отделённой от полости 26 стеной строения. Полость 27 может быть сообщена с полостью 30 воздуховода, заполненного воздушной средой строения. Полости 27 и 30 имеют средства их изоляции друг от друга. Позицией 28 на фиг. 2 показан воздушный поток нормально работающей системы вентиляции. Элементы электромагнитного и ручного привода размещены в корпусе 31, который соединён с корпусом опоры 1 клапана.
Работает защитный автоматический клапан следующим образом. В режиме нормальной эксплуатации клапана каждая планка 2 поворачивается вокруг оси 19 под действием собственного веса и занимает нижнее рабочее положение (фиг. 2). При этом открывается доступ в вентилируемое помещение 30 (фиг. 1) рабочей воздушной среды, которая показана направленными вниз стрелками 28 на фиг. 2. В открытом положении планок 2 воздушная среда проходит через пазы 20, которые выполнены в корпусе опоры 1. При работе клапана на вытяжку воздуха из вентилируемого помещения, направление движения воздуха направлено в сторону открытых планок 2. Когда планки 2 открыты, их положение стабилизируется потоком рабочей воздушной среды, действующей на каждую планку, а также силой пружин 18. Две пружины 18 кручения создают крутящий момент, поворачивающий планку в направлении против часовой стрелки, при этом каждый кулачок 21 поджимается пружинами к зубу 22, и стабилизируют положение планки в воздушном потоке. При этом выполненные на зубчатой рейке 3 наклонные зубья 22 взаимодействуют с наклонными кулачками 21 планок 2. В положении нормальной работы клапана планки 2 находятся в крайнем правом положении, как это показано на фиг. 2.
В указанном положении планок 2 шток тягового электромагнита 4 и связанные с ним тяга 7 и рейка 3 находятся в крайнем правом положении под действием предварительно и постоянно сжатой пружины 18, один торец которой упирается в корпус 31 электропривода, а второй конец пружины упирается в регулируемый упор 23, неподвижно закреплённый на тяге 7 с возможностью регулировки его положения на тяге для обеспечения необходимого усилия пружины 18. При необходимости вылет рейки 3 и её положение относительно планок 2 регулируют муфтой 3.
Когда планки 2 клапана открыты (фиг. 2) стопор 11 касается поверхности упора 10 и прижимается к нему пружиной 14. При подаче от средств автоматического управления клапаном сигнала на закрывание клапана шток 4 втягивается в катушку 5 электромагнита, перемещаясь в крайнее левое положение (фиг. 3). После того, как торец упора 10 переместится за ось стопора 11, последний под действием поджимающей пружины 14 переместится в сторону оси штока 4 так, как это показано на фиг. 3, и заблокирует возможность обратного перемещения штока 4. При этом торец упора 10 будет упираться в стопор 11. Одновременно с перемещением штока 4 смещаются влево связанные с ним тяга 7 и зубчатая рейка 3. При этом наклонные зубья 22 рейки 3, воздействуют на закреплённые на планках 2 кулачки 21, поворачивают кулачки и планки 2 на осях 19 по часовой стрелке и прижимают планки 2 к нижним опорным поверхностям корпуса опоры 1. В этом положении перекрывается доступ извне воздушного потока 29 в воздуховод и движение воздуха внутри строения прекращается. Вместе с перемещением тяги 4 происходит сжатие пружины 18, и зубья 22 рейки 3 упираются в кулачки 21 планок 2.
После прекращения воздействия внешнего воздушного потока 29, подают напряжение на катушку 12 электромагнита перемещения стопора 11 (фиг. 3), при этом шток 13 стопора 11 втягивается в катушку 12 и перемещается в сторону от штока 4, освобождая упор 10 (фиг. 2). Тяга 7 под действием пружины 18 перемещается в крайнее правое положение, перемещая также связанные с ней шток 4 и рейку 3. При этом планки 2 под действием собственного веса (и действия крутящего момента пружин) поворачиваются на осях 19 в направлении против часовой стрелки и открывают доступ потоку 28 воздуха через пазы 20 в секциях клапана.
Если по каким-либо причинам команда на закрывание планок 2 от средств автоматики не осуществлена, то планки 2 перемещаются в верхнее положение под действием скоростного напора воздушного потока 29 (фиг. 1, 3), при этом планки 2 перекрывают доступ внешней среды в полость 30 воздуховода. После прекращения воздействия воздушного потока 29, планки 2 под действием собственного веса поворачиваются на осях в направлении против часовой стрелки.
Для закрывания клапана вручную (в аварийных ситуациях, когда клапан обесточен) вращают маховик 16 (фиг. 2), при этом ползун 15, вращаясь по резьбе в ступице маховика, смещается в левую сторону, доходит до упора - кольца 17, закреплённого на левом конце штока 4 и начинает перемещать влево шток 4 и связанные с ним упор 10, муфту 9, тягу 7 и рейку 3. При этом зубья 22 перемещаются влево и поворачивают планки 2 в закрытое рабочее положение, показанное на фиг. 3. Вращение маховика выполняют до щелчка, свидетельствующего о том, что стопор 11 переместился вниз, вошёл во взаимодействие с торцом упора 10 и блокирует обратное перемещение штока 4, оставляя клапан в закрытом положении.
Для открывания клапана вручную необходимо вручную вытянуть шток 13 стопора и зафиксировать его в вытянутом положении фиксатором, после чего, вращая маховик, перемещают вправо шток 4 и соединённые с ним упор 10, муфту 9, тягу 7 и рейку 3. После перемещения штока 4 в конечное положение, планки 2 поворачиваются под собственным весом в открытое положение. После окончания ручных операций, работоспособность клапана в автоматическом режиме восстанавливают, предварительно освободив шток 13 от стопора 11.
Описанный защитный автоматический клапан обеспечивает автоматическое закрывание и открывание указанных воздушных пазов опоры, в том числе с дистанционного пульта управления, а также автоматическое закрывание воздухозаборного отверстия путём отсекания скоростного воздушного потока. В случае обесточивания клапана его конструкция обеспечивает закрывание и открывание клапана вручную.
Клапан может быть установлен в горизонтальном положении, под наклоном к горизонтали, включая угол наклона в пределах 35-55°, при этом клапан монтируется в воздушном проёме воздуховода и крепится болтами на смонтированной в воздуховоде раме или на металлоконструкции строения.
Технический результат - повышение надёжности клапана - получен конструктивным решением привода планок клапана, расположением планок, выбором их размеров и соответствующих размерам планок размеров пазов опоры, служащих для прохождения воздушной среды.
В результате значительную часть от ударной воздушной волны воспринимают на себя перемычки между пазами опоры, уменьшая при этом ударные нагрузки на планках. Это позволило уменьшить массу планок, исключить работу планок в тяжёлых условиях и исключить возможность их коробления и, таким образом повысить надёжность перекрывания планками пазов опоры. Использование в конструкции клапана множества небольших по размерам планок обеспечило надёжное их поджатие к опоре и надёжную фиксацию в рабочем положении. Надёжность поджатия к опоре планок позволила повысить плотность прилегания планок к опоре и надёжность работы клапана как в нормальном режиме работы, так и в случае закрытия клапана от ударной воздушной волны.
Существенно также, что конструкция клапана обеспечивает минимальное время его срабатывания в опасных условиях работы, исчисляемое сотыми долями секунды, что в большой мере позволило повысить безопасность персонала в помещениях строения в случае внезапного удара. Также существенно, что клапан отвечает требованиям большой пропускной способности воздуха в рабочем режиме и требованиям выдерживать большие нагрузки в режиме защиты помещений от внезапных воздушных ударных нагрузок. Техническое решение данного изобретения реализовано в испытанном опытном образце защитного клапана автоматического ЗКА-20М.