КЛАПАН
VALVE

Изобретение относится к арматуростроению, а именно к техническим средствам, используемым для коммутации трубопроводных магистралей с газовой и (или) гидравлической средой.
При изучении справочно-информационного и патентного фондов были выделены несколько аналогов предлагаемого устройства.
Известен взрывной клапан, приведенный в А.с. СССР №651165 (МПК F16K 13/06, опубл. 05.03.79. Бюл. №9), в корпусе которого, выполненном в виде тонкостенной деформируемой гильзы, установлен затвор с фиксирующим элементом из пластичного материала. Недостатком данного устройства является его ограниченное применение из-за давления в рабочей системе.
Известен также приведенный в патенте №3040764 США (кл. 137-73, 1962 г.) клапан для соединения двух магистралей, в корпусе которого размещены затвор в виде штока с поршнем и фиксирующий элемент из пластичного материала, обеспечивающий фиксацию штока в крайнем положении затвора. Для этого устройства характерна низкая надежность фиксации.
Известен также приведенный в патенте RU №2289746 C1, F16K, 17/14 (опубл. 20.12.2006, Бюл. №35) пироклапан, содержащий корпус с одним впускным и, по меньшей мере, одним выпускным отверстиями (каналами). В корпусе имеется полость с цилиндрической расточкой, в которой размещены поршень и срезаемая мембрана, выполненная за одно целое с поршнем. Срезаемая мембрана образована путем выполнения канавок на цилиндрической и торцевой поверхностях поршня. Пироклапан также содержит пирокамеру и коническую пробку, установленную с возможностью, во-первых, разобщения впускного и выпускного каналов. Между впускным и выпускным каналами установлена перемычка, разделяющая полость корпуса на изолированные друг от друга объемы. Выпускной канал имеет вход в цилиндрическую расточку, в которой размещен поршень. Поршень снабжен штоком, на котором со стороны перемычки установлен пробойник. Диаметр пробойника превышает диаметр штока. Коническая пробка размещена между штоком и поршнем и жестко связана со штоком. Приводом устройства является источник давления, содержащий навеску пиротехнического состава (ПТС).
Рассмотренный аналог предлагаемого устройства обеспечивает коммутацию систем с тремя рабочими магистралями. Однако его использование ограничивают неудовлетворительные газогидравлические параметры, а именно низкая надежность изоляции выпускного канала от окружающей среды в состоянии после срабатывания.
Низкая надежность изоляции выпускного канала от окружающей среды вызвана тем, что после срабатывания пироклапана подпоршневая полость соединяется с надпоршневой. В результате степень взаимной изоляции выпускного канала и окружающей среды полностью зависит только от прочности и герметичности непосредственно используемого источника давления и места его установки в пироклапане. При этом следует отметить, что источников давления, имеющих высокую степень герметичности, практически нет, т.к. для обеспечения срабатывания устройств типа пироклапана достаточно необходимого темпа нарастания давления, а высокая степень герметизации не требуется.
3
Из известных устройств наиболее близким к заявляемому техническому решению является клапан по А.с. №855309 СССР (МПК F16K 13/06, F16K 13/00, опубл. 15.08.81. Бюл. №30).
Согласно описанию, приведенному в указанном источнике информации, устройство содержит корпус, в котором выполнены входной и выходной каналы с соответствующими соединительными патрубками. В корпусе размещены толкатель, взаимодействующий с приводом, затвор в виде штока и коммутирующий механизм. Шток затвора выполнен из двух частей, между которыми в замкнутом объеме внутреннего канала перемещения штока помещен фиксирующий элемент из пластичного материала. На поверхности канала перемещения штока в пределах его длины между фиксирующим элементом и коммутирующим механизмом выполнена коническая расточка. Коммутирующий механизм выполняется в зависимости от исходного состояния внутренних каналов (нормально-открытого или нормально-закрытого), соответствующего требуемому состоянию рабочих магистралей. В качестве примера конкретного исполнения на чертеже, приведенном в источнике информации, представлено устройство с внутренним нормально-закрытым каналом, предназначенное для соединения двух магистралей. Его коммутирующий механизм выполнен в виде срезаемого поршня, разделяющего магистрали. Толкатель выполнен в виде цилиндра с обтюрирующими канавками и помещен в канале большего диаметра по сравнению с каналом перемещения штока. Приводом устройства является также источник давления, содержащий навеску ПТС.
Устройство, описание которого приведено в указанном источнике информации, выбрано в качестве прототипа предлагаемого клапана.
Недостатком этого устройства является то, что при его использовании обеспечивается возможность соединения только двух магистралей, т.к. в корпусе имеется всего один нормально-закрытый канал. В то же время часто возникает необходимость коммутации систем с тремя рабочими магистралями. При этом нередко требуется выполнять одновременную коммутацию по двум ветвям с разными исходными состояниями, одна из которых нормально-открытая, а другая нормально-закрытая.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего коммутацию от одного привода трех рабочих магистралей газовых или гидравлических систем по двум управляемым ветвям, одна из которых нормально-открытая, а другая нормально-закрытая.
При использовании предлагаемого изобретения достигается следующий технический результат:
- одновременная коммутация от одного привода трубопроводных систем с тремя рабочими магистралями по двум ветвям, одна из которых нормально-открытая, а другая нормально-закрытая;
- высокие уровни газогидравлических параметров коммутируемых ветвей, включая степень их изоляции от окружающей среды в исходном состоянии и в состоянии после срабатывания, прочность и герметичность внутренних объемов, пропускную способность проходных каналов и надежность фиксации затвора в конечном положении;
- компактность устройства, уменьшение габаритов, массы и энергопотребления системы за счет использования одного привода.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что в известном устройстве для коммутации магистралей, в корпусе которого выполнены входной и выходной каналы и размещены толкатель, взаимодействующий с приводом, и затвор в виде штока с коммутирующим механизмом и фиксирующим элементом из пластичного материала, при этом шток выполнен составным, фиксирующий элемент установлен между частями штока, а на поверхности канала перемещения штока в пределах его длины между фиксирующим элементом и коммутирующим механизмом выполнена коническая расточка, согласно изобретению
- в корпусе выполнен дополнительный выходной канал, снабженный седлом и сообщенный с входным каналом;
- коммутирующий механизм выполнен в виде двух вкладышей и пробки, установленных соосно с возможностью перемещения при воздействии штока;
- в канале перемещения коммутирующего механизма:
- выполнены две разрушаемые перегородки, изолирующие выходной канал с одной стороны от привода, с другой - от входного и дополнительного выходного каналов;
- пробка размещена с зазором относительно седла;
- в области размещения пробки и прилегающего к ней вкладыша выполнен уступ, ограничивающий величину хода этого вкладыша;
- в области размещения вкладыша, установленного со стороны штока, выполнены местное увеличение диаметра и проточка на поверхности средней части самого вкладыша.
Совокупность признаков предложенного устройства способствует решению поставленной задачи и достижению технического результата, при этом:
- выполнение в корпусе дополнительного выходного канала, снабженного седлом и сообщенного с входным каналом, позволяет образовать между ними нормально-открытую ветвь и обеспечить при срабатывании устройства возможность преобразования этой ветви в закрытую;
- выполнение коммутирующего механизма в виде двух вкладышей и пробки, установленных соосно с возможностью перемещения при воздействии штока, позволяет для срабатывания устройства использовать один привод. Это уменьшает габариты, массу и энергопотребление системы. При этом в процессе перемещения деталей и элементов коммутирующего механизма обеспечивается последовательное выполнение необходимых операций по переключению внутренних каналов;
- выполнение в канале перемещения коммутирующего механизма двух разрушаемых перегородок, изолирующих выходной канал с одной стороны от привода, с другой - от входного и дополнительного выходного каналов, позволяет в исходном состоянии устройства изолировать внутренние каналы от свободной полости под толкателем и, следовательно, от окружающей среды. Кроме того, это позволяет образовать между входным и выходным каналами нормально-закрытую ветвь, управляемую, за счет использования одного привода, синхронно с нормально-открытой ветвью, образованной между входным и дополнительным выходным каналами. За счет этого при срабатывании устройства обеспечивается возможность преобразования нормально-закрытой ветви в открытую;
- размещение пробки в канале перемещения коммутирующего механизма с зазором относительно седла позволяет обеспечить коммутацию от одного привода трубопроводных систем с тремя рабочими магистралями по двум ветвям, одна из которых нормально-открытая, а другая нормально-закрытая;
- выполнение в канале перемещения коммутирующего механизма в области размещения пробки и прилегающего к ней вкладыша уступа, ограничивающего величину хода этого вкладыша, способствует возможности достижения достаточной степени деформации пробки при симметричном конечном положении фиксирующего элемента относительно конической расточки в канале перемещения штока. Это позволяет обеспечить заданные газогидравлические параметры коммутируемой системы, в том числе за счет высокой степени изоляции коммутируемых ветвей от окружающей среды в исходном состоянии и в состоянии после срабатывания устройства. Кроме того, достигаются требуемые значения прочности и герметичности внутренних объемов, пропускной способности проходных каналов и надежной фиксации затвора в конечном положении;
- выполнение в канале перемещения коммутирующего механизма в области размещения вкладыша, установленного со стороны штока, местного увеличения диаметра и проточки на поверхности средней части самого вкладыша позволяет обеспечить заданные газогидравлические параметры коммутируемой системы в исходном состоянии и в состоянии после срабатывания устройства.
Пример исполнения предлагаемого устройства поясняется чертежом.
Устройство содержит корпус 1, в котором размещены толкатель 2, верхняя часть штока 3, нижняя часть штока 4, фиксирующий элемент 5 и привод 6, содержащий навеску ПТС (на чертеже не показано). Коническая расточка А выполнена в канале перемещения штока в пределах его длины между фиксирующим элементом 5 и коммутирующим механизмом Б.
Коммутирующий механизм Б выполнен в виде установленных соосно вкладышей 7, 8 и герметизирующей пробки 9. В канале перемещения коммутирующего механизма Б выполнены разрушаемые перегородки В и Г, изолирующие выходной канал Е с одной стороны от привода 6, а с другой от каналов входного Ж и дополнительного выходного И.
В устройстве имеются элементы, необходимые для выполнения коммутирующих операций и получения заданных газогидравлических параметров:
- на поверхности средней части вкладыша 7 - проточка М, а в области размещения вкладыша 8 с нижним торцом П - местное увеличение диаметра канала перемещения коммутирующего механизма Б;
- в канале перемещения коммутирующего механизма Б - уступ-ступенька Н, ограничивающая величину хода вкладыша 8 с нижним торцом П из условия достижения достаточной степени деформации пробки 9 при симметричном конечном положении фиксирующего элемента 5 относительно конической расточки А;
- на внутреннем торце корпуса 1 под пробкой 9 - седло Д, выполненное в виде конусного выступа, соосного с пробкой;
- между пробкой 9 и седлом Д - зазор h;
- между каналами Е и Ж - нормально-закрытая в исходном состоянии ветвь К, преобразуемая после среза разрушаемой перегородки Г в открытую с заданной пропускной способностью;
- между каналами Ж и И - нормально-открытая с заданной пропускной способностью в исходном состоянии ветвь Л, преобразуемая при срабатывании устройства в закрытую.
В исходном состоянии устройства за счет разрушаемой перегородки В выходной канал Е изолирован от свободной полости, расположенной под толкателем 2, и, следовательно, от окружающей среды.
Клапан работает следующим образом.
При подаче сигнала на привод 6 воспламеняется ПТС, и продукты его горения создают избыточное давление в объеме над толкателем 2.
Под действием давления расширяющегося газа (продуктов горения ПТС) толкатель 2 приобретает возможность перемещения вдоль продольной оси клапана.
Вместе с толкателем 2 начинают перемещаться, сначала, верхняя часть штока 3, затем - фиксирующий элемент 5, потом - нижняя часть штока 4, а после этого - детали и элементы коммутирующего механизма Б.
В процессе перемещения вдоль оси клапана деталей и элементов коммутирующего механизма Б выполняются необходимые переключения внутренних каналов, в том числе:
- срез разрушаемой перегородки В;
- срез разрушаемой перегородки Г;
- вдавливание герметизирующей пробки 9 в седло Д с упором торца П вкладыша 8 в ступеньку Н корпуса 1 и последующей, практически, одновременной остановкой вкладыша 8, разрушаемой перегородки Г, вкладыша 7, разрушаемой перегородки В и нижней части 4 штока. После этого проточка М, выполненная на поверхности средней части вкладыша 7, выходит в область начального расположения разрушаемой перегородки Г, а фиксирующий элемент 5 - в область расположения расточки А;
- окончательное срабатывание затвора. При этом после остановки нижней части штока 4, благодаря продолжению перемещения его верхней части 3 и толкателя 2, фиксирующий элемент 5 деформируется в замкнутом объеме с затеканием в коническую расточку А. За счет наличия упора торца П в ступеньку Н и отсутствия пластической деформации нижней части 4 штока, разрушаемых перегородок В и Г, а также вкладышей 7 и 8 обеспечиваются симметричное расположение фиксирующего элемента 5 относительно расточки А и, соответственно, максимальная прочность места фиксации затвора.
После окончания деформации фиксирующего элемента 5 толкатель 2 и верхняя часть 3 штока также останавливаются.
Указанное расположение деталей и элементов характеризует состояние клапана после его срабатывания.
В этом состоянии клапана, благодаря завершению работы коммутирующего механизма Б:
- внутренние каналы клапана за счет деформации фиксирующего элемента 5 изолированы от свободной полости, расположенной под толкателем 2, и, следовательно, от окружающей среды;
- нормально-открытая ветвь Л клапана между каналами Ж и И за счет деформации герметизирующей пробки 9 преобразовалась в закрытую;
- нормально-закрытая ветвь К клапана между каналами Е и Ж за счет среза и перемещения разрушаемой перегородки Г и остановки вкладыша 7 с выходом проточки, выполненной на поверхности его средней части, в область начального расположения разрушаемой перегородки Г, преобразовалась в открытую.
Следует отметить, что в данном варианте устройства между нижней частью штока 4 и разрушаемой перегородкой В, а также между вкладышем 7 и разрушаемой перегородкой Г установлены зазоры, позволяющие выполнять срез разрушаемых перегородок В и Г, а также деформацию пробки 9 не одновременно, а последовательно друг за другом. Такой порядок работы исключает необходимость суммирования (наложения друг на друга) усилий, требующихся для выполнения этих операций, и способствует более рациональному использованию, как потенциальной энергии расширяющегося газа (продуктов горения ПТС), так и кинетической энергии движущихся деталей и элементов клапана. Благодаря этому габариты и масса устройства могут быть уменьшены дополнительно.
Работоспособность предлагаемого клапана проверена с верхней частью штока 3 и его нижней частью 4, разрушаемыми перегородками В и Г, а также вкладышами 7 и 8, изготовленными из высокопрочной стали 02Х18К9М5Т-ИД (ЭП637А-ИД). При этом толкатель 2, фиксирующий элемент 5 и герметизирующая пробка 9 изготавливались из пластичной стали 12Х18Н10Т.
Толщины разрушаемых перегородок В и Г равны 0,4 мм, зазор h равен 0,6 мм, зазоры между нижней частью штока 4 и разрушаемой перегородкой В, а также между вкладышем 7 и разрушаемой перегородкой Г выполнялись в пределах от 0,5 до 1,2 мм.
Практические результаты, полученные при испытаниях клапана, показывают, что при использовании предлагаемого изобретения:
- обеспечивается одновременная (синхронная) коммутация трубопроводных систем с тремя рабочими магистралями по двум ветвям, одна из которых нормально-открытая, а другая нормально-закрытая;
2
2
усл.
- достигаются высокие уровни газогидравлических параметров коммутируемых ветвей, включая их изоляцию от окружающей среды в исходном состоянии до давления не менее 150 МПа (1500 кгс/см), а в состоянии после срабатывания до давления не менее 300 МПа (3000 кгс/см), пропускную способность проходных каналов до S не менее 6,5 мм и надежность фиксации затвора в конечном положении до уровня не менее 0,9995 с доверительной вероятностью 0,9;
- для срабатывания устройства достаточно одного привода, при этом габариты и масса устройства, а также энергопотребление системы, в которой используется данное устройство, по сравнению с аналогичной системой, где были бы установлены два устройства, подобные прототипу, уменьшаются практически в два раза.