ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН

Полезная модель относится к области гидравлической аппаратуры, а именно к напорным запорно-регулирующим клапанам, то есть клапанам, предназначенным для плавного регулирования расхода рабочей жидкости на участке между источником питания высокого давления и гидродвигателем 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 присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительный фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительный фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, 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 диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным входным каналом. См. Запорно-регулирующий клапан, Патент РФ №2334906, МПК F16K 39/02, F16K 47/02, F15B 13/01, заявлено 26.12.2006, опубликовано 09.27.2008.
У 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 выходного канала клапана и через уплотненное отверстие выходящий за пределы корпуса клапана. Оба штока зафиксированы в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента, при этом диаметр верхнего штока запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра нижнего штока, и указанные диаметры во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют следующей системе неравенств:
н
где D - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;
к.н.
к.в.
D, D - соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла;
ш.н.
ш.в.
D, и D - диаметры соответственно нижнего и верхнего штоков запорно-регулирующего элемента;
н.з.
D - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;
num
P - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана;
num
р - давление в выходном канале клапана (0≤р≤р);
min
max
min
num
σ, σ - значения соответственно минимального (из условия обеспечения герметичности) и максимального (из условия прочности) допустимых напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла (σ>P);
R - усилие, которое необходимо приложить к запорно-регулирующему элементу для перемещения его в направлении седла до соприкосновении с ним из положения, при котором проходное сечение клапана открыто.
z
Кроме того, боковая поверхность регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента клапана спрофилирована на основании следующего уравнения, устанавливающего связь между текущим потребным значением диаметра D регулирующего хвостовика и координатой z, отсчитываемой вдоль оси хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента:
n.c.
где D - диаметр центрального цилиндрического уплотняющего пояска седла;
z
D - текущее потребное значение диаметра регулирующего хвостовика;
z - координата, отсчитываемая вдоль оси регулирующего хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента;
0
A - начальное значение площади проходного сечения между регулирующим хвостовиком запорно-регулирующего элемента и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском седла, равное площади кольца, наружный диаметр которого равен диаметру уплотняющего пояска седла, а внутренний - диаметру цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;
δ - допустимая величина относительной погрешности регулирования расхода рабочей жидкости;
Δ - максимальное абсолютное значение погрешности установки запорно-регулирующего элемента клапана в требуемую позицию.
ш.н.
ш.в.
Отмеченные признаки известного запорно-регулирующего клапана предопределяют при любом значении давления в его выходном канале из диапазона от нуля до значения давления во входном канале клапана (давления питания) действие результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент в направлении седла запорно-регулирующего элемента, то есть в направлении закрытия его проходного сечения, и обеспечивают закрытие проходного сечения клапана и герметичное разделение его входного и выходного каналов в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана). Поскольку D>D, то для связи с выходным звеном управляющего привода клапана целесообразным является использование нижнего штока запорно-регулирующего элемента.
Выполнение профиля боковой поверхности регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента согласно известному техническому решению обеспечивает высокую (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, расположенного со стороны выходного канала клапана и через уплотненное отверстие выходящего за пределы корпуса клапана, 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. 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 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 присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, меньше внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, 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 диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом, отличающийся тем, что 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 соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента, а диаметры составных частей запорно-регулирующего элемента во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют следующей системе неравенств:
н
где D - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;
к.н.
к.в.
D, D - соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла;
п
D - диаметр поршня запорно-регулирующего элемента;
шт
D - уплотняемый диаметр отверстия в крышке клапана;
п.з.
D - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;
пит
пит
Р - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана; р - давление в выходном канале клапана (0≤р≤р);
min
max
min
пит
σ, σ - значения соответственно минимального (из условия обеспечения герметичности) и максимального (из условия прочности) допустимых напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла (σ>σ);
R - усилие, которое необходимо приложить к запорно-регулирующему элементу для перемещения его и направлении седла до соприкосновении с ним из положения, при котором проходное сечение клапана открыто. См. Запорно-регулирующий клапан, Патент РФ №96924, МПК F16K 39/02, F16K 47/02, заявлено 03.02.2009, опубликовано 20.08.2010.
Данный запорно-регулирующий клапан обладает пониженными габаритными размерами и повышенными технологичностью и межремонтным сроком службы при фиксированном максимальном значении площади проходного сечения и высокой надежности герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях.
Недостатком известного запорно-регулирующего клапана является наличие поперечных высокочастотных вибраций запорно-регулирующего элемента с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком. Это обусловлено тем, что положение запорно-регулирующего элемента во входной полости свободное. Поперечные вибрации запорно-регулирующего элемента приводят к износу и увеличению зазора между цилиндрической частью запорно-регулирующего элемента и внутренней поверхностью расточки корпуса и вымыванию уплотнений. Недостатком клапана является также отсутствие фильтрующего элемента, препятствующего прохождению мусора и отсутствие прижима седла клапана. Все это отрицательно сказывается на работе клапана в целом и снижает его надежность.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание запорно-регулирующего клапана с повышенной надежностью за счет фильтрования рабочей жидкости, а также исключения поперечных высокочастотных вибраций запорно-регулирующего элемента путем введения в конструкцию клапана соосной запорно-регулирующему элементу цилиндрической втулки с радиальными отверстиями.
Для решения задачи в известном запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, меньше внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, 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 диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом, 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 соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента, согласно полезной модели во входной полости клапана установлена соосная запорно-регулирующему элементу с бургом цилиндрическая втулка с радиальными отверстиями, при этом цилиндрическая втулка установлена в контакте с торцевой поверхностью седла и с противоположной ей поверхностью входной полости, а цилиндрическая поверхность бурта запорно-регулирующего элемента установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки.
Установка во входной полости клапана соосной запорно-регулирующему элементу с буртом цилиндрической втулки с радиальными отверстиями в контакте с торцевой поверхностью седла и с противоположной ей поверхностью входной полости и установка цилиндрической поверхности бурта запорно-регулирующего элемента с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки обеспечивает повышение надежности клапана за счет исключения поперечных высокочастотных вибраций запорно-регулирующего элемента и фильтрования рабочей жидкости.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображена конструктивная схема запорно-регулирующего клапана.
Запорно-регулирующий клапан содержит корпус 1 с присоединительными входным и выходным каналами 2, 3 (соответственно). В расточке корпуса 1 выполнено седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском 6, имеющим диаметр, меньше внутреннего диаметра уплотнительной фаски 5 седла 4, и проходным отверстием 7, а также размещен запорно-регулирующий элемент 8 с соосными направляющей цилиндрической частью 9, буртом 10 с запорной фаской И, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском 12, регулирующим хвостовиком 13 и штоком 14. Запорно-регулирующий элемент 8 выполнен с жестко соединенным с ним поршнем 15. При контакте запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 ответный цилиндрический уплотняющий поясок 12 запорно-регулирующего элемента 8 образует с центральным цилиндрическим уплотняющим пояском 6 седла 4 золотниковую пару с гарантированным радиальным зазором и положительным перекрытием. Корпус 1 герметично закрыт крышкой 16, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 8 со стороны, противоположной седлу 4 клапана. Запорно-регулирующий элемент 8 установлен с образованием со стороны его бурта 10 входной полости 17, соединенной с присоединительным входным каналом 2 клапана, с образованием между боковой поверхностью 18 регулирующего хвостовика 13 запорно-регулирующего элемента 8 и поверхностью центрального проходного отверстия 7 седла 4 канала 19, соединенного с присоединительным выходным каналом 3 клапана, с образованием между поверхностями поршня 15 и крышки 16 надклапанной полости 20, сообщенной посредством отверстия 21, выполненного в корпусе 1, с присоединительным выходным каналом 3 и с образованием между поверхностями поршня 15 и корпуса 1 дренажной полости 22, которая соединена с присоединительным дренажным каналом 23, в котором давление равно атмосферному (избыточное давление равно нулю).
Конец штока 14 со стороны надклапанной полости 20 через соответствующее уплотненное отверстие, выполненное в крышке 16, выходит за пределы корпуса 1 клапана.
При этом диаметр направляющей цилиндрической части 9 запорно-регулирующего элемента 8 выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска 12. Эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 8 со стороны надклапанной полости 20 имеет значение, большее площади поперечного сечения его направляющей части 9. Диаметры составных частей запорно-регулирующего элемента 8 во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале 3 клапана удовлетворяют системе неравенств (1) и (2).
Боковая поверхность 18 регулирующего хвостовика 13 запорно-регулирующего элемента 8 спрофилирована из условия обеспечения во всем диапазоне изменения площади проходного сечения предлагаемого запорно-регулирующего клапана относительной погрешности регулирования расхода, не превышающей заданную допустимую величину 5 (см.: Гойдо М.Е., Бодров В.В., Багаутдинов P.M. К вопросу проектирования запорно-регулирующих клапанов гидроприводов прессов // Приводная техника. - 2007. - №2. - С. 26-31).
Шток 14 запорно-регулирующего элемента 8 является управляющим (силовым) и соединен (предпочтительно без зазора в осевом направлении) с выходным звеном управляющего привода клапана, например, со штоком гидроцилиндра управления. Если указанное соединение выполнено за пределами корпуса 1 клапана, то диаметр уплотненного отверстия в крышке 16 равен диаметру штока 14. Во входной полости 17 клапана установлена соосиая запорно-регулирующему элементу 8 с буртом 10 цилиндрическая втулка 24 с радиальными отверстиями 25. Цилиндрическая втулка 24 установлена в контакте с торцевой поверхностью седла 4 и с противоположной ей поверхностью входной полости 17. Цилиндрическая поверхность бурта 10 запорно-регулирующего элемента 8 установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки 24.
Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом.
При закрытом проходном сечении клапана (при наличии контакта запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4) рабочая жидкость действует па запорно-регулирующий элемент 8 с результирующим усилием, направленным в сторону седла 4.
При этом цилиндрическая втулка 24 с радиальными отверстиями 25 ограничивает перемещение нижней части запорно-регулирующего элемента 8, исключая тем самым поперечные высокочастотные вибрации, вызываемые действием гидродинамических сил на запорно-регулирующий элемент 8. Одновременно с этим зазор между цилиндрической втулкой 24 и цилиндрической поверхностью бурта 10 запорно-регулирующего элемента 8 осуществляет дополнительное гидравлическое сопротивление потоку жидкости па участке открытия до момента пересечения нижней кромкой цилиндрической поверхности бурта 10 нижнего ряда радиальных отверстий 25 цилиндрической втулки 24, снижая тем самым величину гидродинамических сил, действующих на запорно-регулирующий элемент 8, что позитивно сказывае6тся на работе клапана и повышает его надежность.
Результирующее усилие, направленное в сторону седла 4 при закрытом проходном сечении клапана при любом значении давления в выходном канале 3 клапана обеспечивает создание на поверхности контакта запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 напряжений, достаточных для обеспечения герметичного разделения входного 2 и выходного 3 каналов клапана.
В то же время даже при создании с помощью управляющего привода клапана дополнительного усилия, прижимающего запорно-регулирующий элемент 8 к седлу 4, величина напряжений на поверхности контакта запорной фаски 11 и уплотнительной фаски 5 не превосходит значение напряжений, допустимое из условия прочности контактирующих поверхностей.
При смещении запорно-регулирующего элемента 8 относительно седла 4 под действием управляющего привода клапана на величину, меньшую перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 12 и 6 соответственно запорно-регулирующего элемента 8 и седла 4, давление в пространстве между запорно-регулирующим элементом 8 и седлом 4 на участке, ограниченном указанными цилиндрическими уплотнительными поясками 12 и 6 и входом в зазор между запорной фаской 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаской 5 седла 4, поднимается до величины, равной или близкой к давлению во входном канале клапана (поскольку зазор между цилиндрическими уплотнительными поясками 12 и 6 обладает большим гидравлическим сопротивлением). При этом результирующая сила, действующая со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 8, уменьшается, но при любом значении давления в выходном канале 3 клапана из диапазона от нуля до значения давления во входном канале 2 клапана остается направленной в сторону седла 4 (то есть в сторону закрытия проходного сечения клапана) и достаточной по величине для преодоления соответствующих сил сопротивления.
Уменьшение результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 8 после отрыва запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 от уплотнительной фаски 5 седла 4 облегчает последующее смещение запорно-регулирующего элемента 8 в направлении открытия проходного сечения клапана и при прочих равных условиях способствует снижению времени, необходимого для открытия проходного сечения.
При смещении запорно-регулирующего элемента 8 относительно седла 4 под действием управляющего привода клапана на величину, равную или большую перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 12 и 6 соответственно запорно-регулирующего элемента 8 и седла 4, открывается проходное сечение клапана, которое представляет собой боковую поверхность усеченного конуса, образованную нормалями к боковой профилированной поверхности 18 регулирующего хвостовика 13 запорно-регулирующего элемента 8, проведенными из точек кромки цилиндрического уплотнительного пояска 6 седла 4, ближней к уплотнительной фаске 5 последнего. Поскольку боковая поверхность 18 хвостовика 13 спрофилирована соответствующим образом, то во всем диапазоне изменения площади проходного сечения предлагаемого запорно-регулирующего клапана обеспечивается относительная погрешность регулирования расхода, не превышающая заданную допустимую величину
Благодаря указанной профилировке боковой поверхности 18 хвостовика 13, обеспечивается плавное расширение канала 19, образованного указанной поверхностью и поверхностью центрального проходного отверстия 7 седла 4, в направлении к выходному каналу 3, что способствует снижению вероятности возникновения при работе клапана кавитации отрывного типа, ведущей к наиболее интенсивному кавитационному износу элементов клапана (см.: Бочаров Ю.Л., Денисюк А.К. Совершенствование проточной части клапанных распределителей для гидросистем кузнечно-штамповочных машин ударного действия / Кузнечно-штамповочное производство. - 1974. - №5. - С. 31-33).
Так как к началу открытия проходного сечения клапана запорная фаска 11 запорно-регулирующего элемента 8 оказывается смещенной относительно уплотнительной фаски 5 седла 4 на расстояние, равное величине перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 12 и 6, то площадь капала, образованного фасками 11 и 5, после открытия проходного сечения клапана значительно превышает площадь указанного проходного сечения. Благодаря этому, фаски 11 и 5 заведомо располагаются вне зоны кавитационных процессов, возможных в проточной части клапана при его работе, и не подвергаются кавитационному износу, что способствует повышению их долговечности.
В штатных условиях работы клапана изменение положения его запорно-регулирующего элемента 8 происходит в строгом соответствии с изменением положения выходного звена управляющего привода клапана, соединенного со штоком 14 запорно-регулирующего элемента 8.
При нарушении связи между штоком 14 и выходным звеном управляющего привода клапана и смещении указанного звена в направлении уменьшения площади проходного сечения клапана запорно-регулирующий элемент 8 под действием на него со стороны рабочей жидкости силы смещается в направлении своего седла 4 до упора в него или до упора штока 14 в выходное звено управляющего привода (в зависимости от того, в какое положение переместилось это звено).
При растормаживании выходного звена управляющего привода (например, из-за исчезновения питания данного привода) запорно-регулирующий элемент 8 под действием на него со стороны рабочей жидкости силы смещается в направлении своего седла 4 до упора в него, перемещая вместе с собой выходное звено управляющего привода. В результате, проходное сечение запорно-регулирующего клапана закрывается, что позволяет предотвратить аварийные ситуации, связанные с отказом управляющего привода.
Таким образом, предлагаемый запорно-регулирующий клапан, характеризуется высокой надежностью работы в любых ситуациях.