УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТЕКУЧЕЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

Устройство для подачи текучей рабочей среды относится к гидротранспорту с использованием давления газа и может быть применено для подачи различных жидкостей.
Известны устройства для подачи, дозирования и распределения смазок и других рабочих сред. Перемещение и транспортирование рабочих сред к месту ее потребления достигается за счет обжатия или расширения давлением газа эластичной камеры (мешка, оболочки, колпака и т.д.). Уменьшение или увеличение объема эластичной камеры обеспечивает выдавливание рабочей среды из резервуара или из той части его полости, где эта рабочая среда находится до срабатывания устройства.
При изучении справочно-информационных и патентных фондов были выделены наиболее близкие аналоги заявляемого технического решения:
9
- автоматическое устройство для подачи смазки, приведенное в международной заявке №89/01589, МПК F16N 11/10, публикация 23.02.89. Устройство содержит резервуар (емкость) со смазкой, эластичную камеру и электрохимический элемент для генерирования газа, посредством давления которого камера расширяется и выдавливает смазку из резервуара;
9
- устройство для смазки пневматических механизмов с использованием давления газа, приведенное в патенте США №3724601, МПК F16N 7/30, публикация 03.04.73. Устройство имеет корпус с выходным патрубком, в котором размещен контейнер (емкость) со смазкой в виде мешка из эластичного материала, который под давлением газа (потока воздуха) сплющивается и через перфорированный элемент (жиклер) выдавливает смазку в этот поток. Перфорированный элемент установлен перед выходным патрубком.
Общими недостатками этих аналогов является низкий и нестабильный КПД (количество выдавливаемой рабочей среды относительно количества, размещенного в устройстве) из-за неравномерности обжатия (или расширения) камеры, в которой она хранится, вследствие чего снижается уровень параметрической надежности устройства.
9
Известно устройство для подачи текучих рабочих сред с использованием давления газа, приведенное в патенте RU №2334160, МПК F16N 7/30 (2006.01), публикация 20.09.2008, Б.И.№26. Устройство содержит емкость с входным патрубком для подвода газа и выходным патрубком для вывода рабочей среды. Внутри емкости размещены камера со стенками из эластичного материала, установленная с возможностью подвода к ее внешней поверхности газа, и коллектор, установленной с возможностью вывода рабочей среды из емкости. В выходном патрубке установлен герметизирующий элемент в виде мембраны.
В выходном патрубке емкости может быть установлен обратный клапан, открывающийся при подаче рабочей среды в камеру в процессе изготовления устройства. При этом герметизирующая мембрана устанавливается в запорном элементе обратного клапана.
К недостаткам конструкции этого устройства следует отнести, прежде всего, наличие герметизирующего элемента в виде мембраны. В процессе срабатывания устройства требуется создание избыточного давления, превышающего величину, необходимую для надежного разрушения (прорыва) мембраны. Величина этого давления зависит не только от толщины непосредственно самой мембраны или параметров разупрочняющих надрезов (при их наличии), но и от физико-механических свойств материала, из которого мембрана изготовлена, а также от способов и показателей механической заделки мембраны в корпусе. В связи с этим величина давления разрушения не может иметь малые значения (практически, не менее 3 МПа), так как тонкая мембрана может быть полностью раздавлена при ее механической заделке в корпусе. При этом фактическое значение величины давления разрушения мембраны может изменяться в весьма широком диапазоне (на практике от 3 до 18 МПа). Отсюда для надежного разрушения мембраны во всех условиях эксплуатации возникает необходимость увеличения давления газа, что приводит к эквивалентному росту толщины силовых элементов емкости, габаритов и массы устройства в целом. В то же время, увеличенное давление газа в процессе обжатия эластичной камеры при срабатывании устройства приводит к возрастанию вероятности образования трещин, последующего прорыва стенок камеры и смешивания рабочей среды с газом, что сказывается отрицательно на КПД и надежности работы устройства, поскольку смешивание рабочей среды с газом не допускается как в процессе срабатывания, так и после.
Кроме того, в устройстве отсутствует механизм стравливания газа, вследствие чего в течение длительного времени после срабатывания устройства высокое давление газа воздействует на эластичную камеру. Это приводит к еще большей вероятности образования трещин, последующего прорыва стенок камеры и смешивания рабочей среды с газом, что сказывается отрицательно на надежности работы устройства и безопасности его эксплуатации.
9
Известно устройство для подачи текучих рабочих сред с использованием давления газа, приведенное в патенте RU №2223441, МПК F16N 7/30, 11/10, публикация 10.02.2004, Б.И.№4. Это устройство содержит емкость для хранения рабочей среды с выходным патрубком, источник газа, механизм стравливания газа и систему задействования, внутри емкости размещены камера из эластичного материала, коллектор, установленный с возможностью вывода рабочей среды из емкости, и герметизирующий элемент, установленный в выходном патрубке, источник газа соединен с механизмом стравливания газа и с каналами подвода газа к наружной поверхности камеры, установленной в емкости.
При этом герметизирующий элемент выполняется в виде мембраны, а коллектор может быть выполнен в виде жесткого или гибкого перфорированного элемента, или в виде пружины.
Данное устройство выбрано за прототип.
К недостаткам конструкции этого устройства следует отнести наличие герметизирующего элемента в виде мембраны.
Как указывалось выше, этот недостаток сказывается отрицательно на КПД, надежности работы устройства и безопасности его эксплуатации.
Надежность срабатывания устройства, выбранного за прототип, и стабильность его КПД не гарантируются также по причине увеличенной вероятности прорыва стенок камеры с течением времени хранения после срабатывания, в связи с использованием в механизме стравливания газа дросселирующего устройства, которое соединяет емкость и источник газа с окружающей средой. Используемое дросселирующее устройство изготавливается, чаще всего, путем прессования сеток из пластичных металлов и сплавов. Его пропускная способность выбирается из условия ограничения утечки газа в течение времени работы устройства, например, в пределах от 4 до 10%. В случае использования дросселирующего устройства, имеющего обоснованно выбранный диапазон пропускной способности, газ, с одной стороны, не может полностью вытечь в окружающую среду, не успев выполнить полезную работу. С другой стороны, время воздействия высокого давления газа на эластичную камеру после срабатывания устройства сокращается до нескольких часов. Следует отметить, что при указанной выше величине утечки газа фактическая пропускная способность имеет достаточно малую величину. По причине малости размеров газопроницаемых элементарных ячеек (пор) такое дросселирующее устройство весьма чувствительно к чистоте используемого газа. Экспериментально подтверждена стабильность пропускной способности дросселирующего устройства при работе с чистым азотом от источника газа баллонного типа. В то же время опытным путем были получены результаты, свидетельствующие о резком уменьшении пропускной способности при работе с генераторными источниками газа, в которых используются пиротехнические составы (ПТС), генерирующие, например, азот.
В связи с этим возможны повреждения эластичной камеры, приводящие к прорыву ее стенок после срабатывании устройства, так как вследствие резкого уменьшения пропускной способности газ прекращает вытекать в окружающую среду, и поэтому дросселирующее устройство не обеспечивает сокращение времени воздействия высокого давления газа на эластичную камеру после срабатывания устройства. Кроме того, за счет вытекания газа в течение времени работы устройства возникает необходимость использовать источник газа с увеличенной на величину допустимой утечки газа закладкой. Это приводит также к эквивалентному росту толщины силовых элементов корпуса источника газа, увеличению габаритов и массы, как источника газа, так и устройства в целом. В то же время, увеличенное давление газа в процессе обжатия эластичной камеры при срабатывании устройства приводит к возрастанию вероятности образования трещин, последующего прорыва стенок камеры и смешивания рабочей среды с газом, что в итоге сказывается также отрицательно на КПД, надежности работы устройства и безопасности его эксплуатации.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности работы устройства и стабильности КПД.
При использовании заявляемой полезной модели достигается следующий технический результат:
- повышение стабильности КПД;
- повышение надежности работы конструкции и безопасности его эксплуатации, в том числе за счет исключения возможности смешивания рабочей среды с газом после срабатывания устройства;
- уменьшение как габаритов и массы устройства, так и полного времени его работы.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечиваются тем, что в устройстве для подачи текучей рабочей среды, содержащем емкость с выходным патрубком, источник газа, механизм стравливания газа и систему задействования, внутри емкости размещены камера из эластичного материала, заполненная текучей рабочей средой, коллектор, установленный с возможностью вывода рабочей среды из емкости, и герметизирующий элемент, установленный в выходном патрубке, источник газа соединен с механизмом стравливания газа и с каналами подвода газа к наружной поверхности камеры, установленной в емкости, при этом согласно полезной модели:
- механизм стравливания газа содержит спускной клапан и узел задержки срабатывания;
- герметизирующий элемент, установленный в выходном патрубке емкости, выполнен в виде невозвратно-запорного клапана, открывающегося при срабатывании устройства под действием давления рабочей среды без возвращения в исходное состояние.
Кроме того, в заявляемом техническом решении:
- источник газа и механизм стравливания газа могут быть установлены в емкости, при этом для их размещения в корпусе емкости могут быть выполнены, по крайней мере, одна дополнительная полость;
- канал задействования источника газа может быть выполнен в виде электрического или пиротехнического механизма;
- в механизме стравливания газа могут быть выполнены спускной клапан в виде пироклапана или электромагнитного клапана, а узел задержки срабатывания - в виде пиротехнического замедлителя или реле времени с обеспечением срабатывания механизма стравливания газа соответственно от пиротехнической или электрической системы задействования;
- в емкости может быть установлено средство для нагрева рабочей среды с электрическим или пиротехническим каналом задействования;
- система задействования устройства может быть выполнена электрической или пиротехнической с возможностью одновременного задействования источника газа, средства нагрева рабочей среды и узла задержки срабатывания в механизме стравливания газа.
Содержание в механизме стравливания газа спускного клапана и узла задержки срабатывания за счет образования отверстия с большой пропускной способностью при срабатывании спускного клапана обеспечивает возможность максимального сокращения времени воздействия высокого давления газа на эластичную камеру после срабатывания устройства. Кроме того, предложенный вариант исполнения механизма стравливания газа исключает необходимость использования источника газа, как указывалось выше, с увеличенной закладкой, и поэтому позволяет на эквивалентную величину уменьшить давление в источнике газа и толщины силовых элементов всех составных частей, а в итоге улучшить габаритно-массовые характеристики устройства в целом. В то же время, уменьшенное давление газа в процессе обжатия эластичной камеры при срабатывании устройства приводит к снижению вероятности образования трещин, последующего прорыва стенок камеры и смешивания рабочей среды с газом, что сказывается положительно на КПД и надежности работы устройства.
Установка герметизирующего элемента в выходном патрубке емкости и его выполнение в виде невозвратно-запорного клапана, открывающегося при срабатывании устройства под действием давления рабочей среды без возвращения в исходное состояние позволяет:
- за счет использования в качестве герметизирующего элемента невозвратно-запорного клапана с меньшим давлением открывания (не более 1 МПа) по сравнению с разрушаемой мембраной (до 18 МПа) дополнительно уменьшить величину давления в источнике газа. Это также эквивалентно уменьшению толщины силовых элементов, практически, всех составных частей, за счет чего достигается дополнительное улучшение габаритно-массовых характеристик устройства в целом. Уменьшение давления газа, необходимого для открывания выхода рабочей среды из емкости, положительно сказывается на КПД и надежности работы всего устройства;
- одновременно с уменьшением давления газа, необходимого для открывания выхода рабочей среды из емкости, обеспечить без нарушения целостности устройства и проведения дополнительных технологических операций возможность обратного истечения через герметизирующий элемент текучих сред (рабочей среды, газа и пр.), в случае их случайного попадания к потребителю, например, в аварийных ситуациях, что повышает безопасность эксплуатации, как непосредственно устройства, так и агрегатов, укомплектованных такими устройствами.
Установка источника газа и механизма стравливания газа в емкости и их размещение, по крайней мере, в одной дополнительной полости, выполненной в корпусе емкости, позволяют исключить ряд соединительных трубопроводов и разъемных соединений, обеспечивает возможность уменьшить габариты и массу составных частей и устройства в целом, и за счет этого также повысить надежность работы устройства.
Выполнение канала задействования источника газа в виде электрического или пиротехнического механизма позволяет согласовать конструкцию данной составной части устройства с техническими возможностями потребителя, исходя из возможности обеспечения требуемой надежности работы всего устройства.
Такие же преимущества обеспечивают и варианты выполнения:
- в механизме стравливания газа спускного клапана в виде пироклапана или электромагнитного клапана, а узла задержки срабатывания - в виде пиротехнического замедлителя или реле времени с обеспечением срабатывания механизма стравливания газа соответственно от пиротехнической или электрической системы задействования;
- системы задействования устройства электрической или пиротехнической с возможностью одновременного задействования источника газа, средства нагрева рабочей среды и узла задержки срабатывания в механизме стравливания газа.
Установка в емкости средства для нагрева рабочей среды с электрическим или пиротехническим каналом задействования обеспечивает возможность уменьшения времени срабатывания устройства в условиях отрицательной температуры, прежде всего, при использовании рабочей среды, имеющей в этих условиях высокую вязкость.
Следует отметить, что, практически, при любом конструктивном исполнении коллектора, именно на его входе, за счет необходимости выполнения резко сужающихся проходных каналов, гидравлическое сопротивление истечению рабочей среды увеличивается. Установка средства для нагрева рабочей среды в коллекторе позволяет обеспечить уменьшение времени срабатывания устройства с минимальными энергетическими затратами, т.е. с использованием минимального количества тепла. За счет этого для существенного уменьшения времени срабатывания устройства требуется минимальный расход тепла без повышения количества и давления используемого газа, выдавливающего рабочую среду из эластичной камеры, без увеличения габаритов и массы источника газа и устройства в целом. Путем регулирования количества тепла и интенсивности его расхода время срабатывания устройства может быть уменьшено, практически, до любой величины, что способствует повышению надежности работы при сохранении требуемого уровня безопасности во всех условиях эксплуатации. Кроме того, установка в емкости собственного средства для нагрева рабочей среды, снабженного каналом задействования, обеспечивает возможность синхронизации процессов подогрева рабочей среды и ее выдавливания из емкости. Синхронизация указанных процессов во времени также способствует повышению надежности работы устройства.
В совокупности признаки предложенного устройства обеспечивают повышение, как безопасности эксплуатации и стабильности КПД, так и надежности срабатывания конструкции. Кроме того, появляется техническая возможность уменьшить:
- габариты и массу составных частей и устройства в целом;
- полное время работы устройства.
Примеры исполнения устройства поясняются фиг.1 и 2.
Предложенное устройство, представленное на фиг.1 и 2, содержит емкость 1 с выходным патрубком 2, источник газа 3, механизм 4 стравливания газа и систему задействования 5 (на фиг.2 не показана). Внутри емкости 1 размещены эластичная камера 6, канал 7 подвода газа к камере 6, коллектор 8 с отверстиями 9 и пазами 10 для вывода рабочей среды 11, герметизирующий элемент 12, выполненный в виде невозвратно-запорного клапана, открывающегося под действием давления рабочей среды без возвращения в исходное состояние за счет установки затвора 13, фиксаторов 14, пружин 15 и 16.
Источник газа 3 соединен с механизмом 4 и каналом 7 подвода газа к камере 6 в емкости 1. Механизм 4 содержит спускной клапан 17 и узел задержки срабатывания 18.
В емкости 1 установлено средство 19 для нагрева рабочей среды за счет использования тепла, выделяемого при сгорании ПТС 20.
Средство для нагрева 19, источник газа 3 и механизм 4 имеют каналы задействования соответственно 21, 22 и 23.
Эластичная камера 6 установлена в корпусе емкости 1 и загерметизирована с использованием фланца 24.
Между местом герметизации камеры 6 с корпусом и каналом подвода газа к камере в емкости 1 выполнена полость 25, объем которой выбран из условия компенсации максимального расширения камеры при разогреве рабочей среды в условиях эксплуатации.
Система задействования 5 может быть выполнена электрической или пиротехнической с возможностью одновременного задействования источника газа 3, средства для нагрева 19 и узла задержки срабатывания 18.
В устройстве, представленном на фиг.2, используется система задействования 5 (на фиг.2 не показана), выполненная пиротехнической с возможностью одновременного задействования средства для нагрева 19, источника газа 3 и узла задержки срабатывания 18 в механизме стравливания газа. Поэтому в каналах 21, 22 и 23 задействования указанных составных частей установлены приемные навески ПТС соответственно 26, 27 и 28.
Дополнительно в спускном клапане 17 выполнены разрушаемый элемент 29, пробойник 30, каналы 31 для выхода газа в окружающую среду, пробка 32, изолирующая внутренние полости спускного клапана 17 от окружающей среды, и навеска ПТС 33, обеспечивающая получение импульса давления для перемещения пробойника 32.
В узле задержки срабатывания 18 установлена навеска ПТС 34 для передачи огневого импульса от навески 28 к навеске 33. Высота (длина) навески 34 и скорость горения ПТС, используемого для ее изготовления, выбраны из условия обеспечения необходимого времени задержки срабатывания спускного клапана 17 относительно момента задействования средства для нагрева 19 и источника газа 3.
Для размещения источника газа и механизма стравливания газа в корпусе емкости 1 выполнены дополнительные полости соответственно 35 и 36.
Устройство работает следующим образом.
При подаче команды на срабатывание, см. фиг.1, система задействования устройства 5 вырабатывает сигналы и выдает их, см. фиг.1 и 2, на каналы 21, 22 и 23 соответственно средства для нагрева 19, источника газа 3 и узла задержки срабатывания 18.
В устройстве, представленном на фиг.2, система задействования устройства содержит пиропатрон (на фиг.2 не показано) с навеской ПТС, продукты горения которого воспламеняют приемные навески соответственно 26, 27 и 28.
В устройстве, представленном на фиг.1, процесс задействования протекает аналогично, если система задействования выполнена пиротехнической, или с использованием, например, источника электрического тока (напряжения) и электровоспламенителей, если система задействования выполнена электрической.
Следует отметить, что в случае отсутствия в составе устройства средства нагрева рабочей среды, система задействования выполняется с возможностью одновременного задействования источника газа 3 и узла задержки срабатывания 18.
После задействования, см. фиг.1 и 2, каналов 21, 22 и 23 начинаются процессы срабатывания соответственно средства для нагрева 19, источника газа 3 и узла задержки срабатывания 18. При этом о процессах срабатывания каждой из перечисленных составных частей устройства следует сказать особо.
Во-первых, при срабатывании источника газа 3, который может быть, как баллонного, так и генераторного типов, вытекающий из источника газ доходит до спускного клапана 17 и до наружной поверхности камеры 6. Утечка газа в окружающую среду не происходит, так как узел задержки срабатывания 18 еще не выдал сигнал на срабатывание спускного клапана 17. В устройстве, представленном на фиг.2, газ удерживается разрушаемым элементом 29. Под действием давления газа камера 6 начинает обжиматься и выворачиваться относительно фланца 24. Это приводит к возрастанию давления рабочей среды, которая воздействует на затвор 13. Преодолевая сопротивление пружин 15 и 16, под действием давления рабочей среды затвор 13 перемещается. При этом благодаря наличию в канале перемещения затвора 13 двух канавок (на фиг.1 и 2 канавки не обозначены), фиксаторов 14 и пружины 16, герметизирующий элемент (невозвратно-запорный клапан) 12 под действием давления рабочей среды открывается без возвращения в исходное состояние. Тем самым обеспечивается техническая возможность (в случае необходимости) обратного истечения через герметизирующий элемент 12 и рабочей среды, и газа.
Во-вторых, в то же самое время уже воспламенился и начинает гореть ПТС 20, которым снаряжено средство для нагрева 19. При этом ПТС 20 выбирается из условия обеспечения длительности процесса горения, практически, в течение всего времени работы устройства. От тепла, выделяемого при горении ПТС 20, нагреваются корпус средства для нагрева 19, коллектор 8 и рабочая среда 11, находящаяся в отверстиях 9 и пазах 10, а также расположенная вблизи коллектора 8. В указанных местах каналы для прохождения рабочей среды имеют максимальное гидродинамическое сопротивление истечению. За счет работы средства 19 вязкость расположенной в этих местах прогретой части рабочей среды уменьшается, и она за счет поддавливания выворачивающейся камерой 6 остальной непрогретой части рабочей среды, расположенной в области, где гидродинамическое сопротивлению истечению мало, начинает значительно быстрее вытекать из емкости. В процессе дальнейшего возрастания давления, находящаяся в камере 6 рабочая среда 11, проходя отдельными струями через отверстия 9 и пазы 10, продолжает подогреваться, и таким образом полностью выдавливается к потребителю (на фиг.1 и 2 потребитель и его соединение с емкостью 1 не показаны). При этом полное время работы устройства, в емкости которого установлено средство для нагрева 19, по сравнению с устройствами без такого средства, может быть уменьшено.
В-третьих, во время протекания процессов срабатывания источника газа 3 и средства для нагрева 19 продолжается также работа узла задержки срабатывания 18 в механизме стравливания газа. При этом время работы узла задержки срабатывания 18 выбирается с достаточным запасом больше полного времени работы устройства, в течение которого вся рабочая среда 11 выдавливается камерой 6 из емкости 1 к потребителю. После завершения работы узла задержки срабатывания 18 выдается сигнал на срабатывание спускного клапана 17, который обеспечивает сообщение газовых полостей и каналов емкости 1 и источника газа 3, включая каналы 7, с окружающей средой.
В устройстве, представленном на фиг.2, сигнал от узла задержки срабатывания 18 воспринимается навеской ПТС 33, обеспечивающей получение импульса давления для перемещения пробойника 30. В процессе перемещения пробойник 30 разрушает элемент (мембрану) 29 с образованием сквозного отверстия с большой пропускной способностью. Под действием давления газа выталкивается изолирующая пробка 32 и после этого газ свободно сбрасывается до давления, близкого к атмосферному.
После выполнения действий и операций, изложенных выше, процесс срабатывания устройства следует считать завершенным.
Для повторного срабатывания устройства источник газа 3, механизм 4 стравливания газа и система задействования 5 (в том случае, если они выполнены полностью пиротехническими или с использованием ПТС), а также средство для нагрева 19 в емкости 1 заменяются новыми. Камера 6 вновь заполняется заданным количеством рабочей среды 11. Герметизирующий элемент 12 демонтируется из емкости 1 и после принудительного приведения в исходное состояние (техническая возможность проведения такой операции в конструкции предусмотрена) может использоваться повторно.
В процессе экспериментального подтверждения работоспособности данного устройства для изготовления камеры 6, изолирующих элементов затвора 13 в емкости 1 и пробок 32 (см. фиг.2) в спускном клапане 17, была использована резиновая смесь. Корпус емкости 1 с патрубком 2 изготавливался из алюминиевых сплавов. Для изготовления силовых элементов источника газа 3, механизма 4 стравливания газа, системы задействования 5 и герметизирующего элемента (невозвратно-запорного клапана) 12 использовались стальные сплавы, а для пружин 15 и 16 невозвратно-запорного клапана 12 - стальная проволока.
Эксперименты проводились с емкостями, как со средствами нагрева рабочей среды, так и без них, при использовании источников газа и баллонного, и генераторного типов. Испытания проводились в условиях, как положительных, так и отрицательных температур.
Практические результаты, полученные при использовании устройства, показывают, что в случае выполнения конструкции согласно предлагаемой полезной модели обеспечиваются высокая надежность работы, безопасность эксплуатации и стабильный КПД устройства. При этом по сравнению с устройством, выбранным в качестве прототипа, габариты и масса предложенного устройства могут быть уменьшены в 2,5 раза, а полное время работы до 100 раз.