ПОДШИПНИК ДЛЯ ПОВОРОТНОГО РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА
BEARING FOR ROTARY CONTROL VALVE

[0001] Раскрываемое изобретение в целом относится к поворотным регулирующим клапанам и в частности – к опорно-упорному подшипнику для поворотного регулирующего клапана, который принимает или выдерживает осевую нагрузку.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В автоматизированных системах управления технологическими процессами часто используются поворотные клапаны, такие как шаровые клапаны, двухстворчатые клапаны, клапаны с эксцентриковыми дисками, клапаны с эксцентриковыми пробками и т.п., для управления потоком технологических жидкостей. Поворотные клапаны обычно содержат элемент управления потоком (например, диск, шар и т.п.), размещаемый на пути потока и соединенный с корпусом клапана посредством вала с возможностью свободного вращения. Для управления потоком жидкости через некоторые поворотные клапаны положение элемента управления потоком может быть различным – от закрытого положения, при котором элемент управления потоком герметично прилегает к уплотнению, окружающему отверстие, через которое проходит поток, таким образом предотвращая течение жидкости через это отверстие, до полностью открытого положения или положения максимальной скорости потока, при котором элемент управления потоком расположен на некотором расстоянии от уплотнения, позволяя потоку жидкости проходить через отверстие.
[0003] Для обеспечения возможности правильного располоения элемента управления потоком относительно уплотнения некоторые поворотные клапаны содержат один или более подшипников. Один известный подшипник сделан из пластика (например, ПЭЭК) и имеет изогнутую поверхность, которая садится на соответствующую изогнутую поверхность корпуса клапана. Однако эта изогнутая поверхность, имеющая сложную геометрическую форму, усложняет изготовление, за счет чего повышается стоимость изготовления. Более того, в некоторых применениях (например, под высоким давлением) такой подшипник не выносит или не выдерживает тяговую нагрузку (то есть, осевую нагрузку) и при этом подвергается крутящей нагрузке (например, когда элемент управления потоком открывается под давлением). Вместо этого, когда изогнутый пластиковый подшипник подвергается осевой нагрузке, уже испытывая крутящую нагрузку, такая комбинированная нагрузка вызывает движение подшипника в осевом направлении, таким образом, сдвигая подшипник с изогнутой поверхности корпуса клапана и вызывая вынужденный контакт подшипника с другими частями клапана. Со временем такая комбинированная нагрузка приведет к образованию трещины в подшипнике, что приведет к его отказу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с первым аспектом, приводимым в качестве примера, поворотный клапан содержит корпус клапана, ограничивающий отверстие для впуска жидкости и отверстие для выпуска жидкости, седло клапана, размещенное внутри корпуса клапана, запорный элемент, расположенный внутри корпуса клапана с возможностью перемещения относительно седла клапана посредством приводного вала для управления потоком жидкости через корпус клапана, и подшипник, размещенный в корпусе клапана для поддержания центровки запорного элемента относительно седла клапана. Подшипник имеет первую часть, размещенную между корпусом клапана и приводным валом, и вторую часть, размещенную между корпусом клапана и запорным элементом. Вторая часть имеет плоскую поверхность, сконфигурированную для соединения с соответствующей плоской поверхностью корпуса клапана, когда подшипник подвергается комбинированному воздействию осевой и крутящей нагрузки, передаваемой через приводной вал, таким образом, чтобы подшипник мог выдерживать комбинированную осевую и крутящую нагрузку.
[0005] В соответствии со вторым аспектом, приводимым в качестве примера, поворотный клапан содержит корпус клапана, ограничивающий отверстие для впуска жидкости и отверстие для выпуска жидкости, седло клапана, размещенное внутри корпуса клапана, запорный элемент, расположенный внутри корпуса клапана, приводной вал, размещенный в приводном отверстии в корпусе клапана и сконфигурированный с возможностью перемещения запорного элемента относительно седла клапана для управления потоком жидкости через корпус клапана, и подшипник, размещенный в приводном отверстии между корпусом клапана и приводным валом для поддержания центровки запорного элемента относительно седла клапана. Подшипник содержит корпус и фланец подшипника, который выходит радиально наружу из корпуса. Фланец подшипника имеет плоскую поверхность, сконфигурированную для соединения с соответствующей плоской поверхностью корпуса клапана, когда подшипник подвергается комбинированному воздействию осевой и крутящей нагрузки, передаваемой через приводной вал, таким образом, чтобы подшипник мог выдерживать указанную комбинированную осевую и крутящую нагрузку.
[0006] В соответствии с третьим аспектом, приводимым в качестве примера, опорно-упорный подшипник для использования с поворотным клапаном содержит опорную часть и упорную часть. Опорная часть имеет размер для размещения между корпусом клапана поворотного клапана и приводным валом поворотного клапана. Упорная часть имеет размер для размещения между корпусом клапана и управляющим элементом, размещенным внутри корпуса клапана и выполненным с возможностью перемещения относительно седла клапана, размещенного в корпусе клапана, посредством приводного вала для управления потоком жидкости через корпус клапана. Упорная часть содержит плоскую поверхность, приспособленную для соединения с соответствующей плоской поверхностью корпуса клапана, когда подшипник подвергается комбинированному воздействию осевой и крутящей нагрузки, передаваемой через приводной вал, таким образом, чтобы подшипник мог выдерживать комбинированную осевую и крутящую нагрузку.
[0007] Также в соответствии с любым или более из вышеуказанных первого, второго или третьего аспектов, приводимых в качестве примера, поворотный клапан и/или опорно-упорный подшипник могут содержать одну или более из следующих дополнительных предпочтительных форм.
[0008] В одной предпочтительной форме приводной вал направлен вдоль продольной оси, а запорный элемент вращается вокруг продольной оси.
[0009] В другой предпочтительной форме плоская поверхность проходит в направлении, в существенной степени перпендикулярном продольной оси.
[0010] В еще одной предпочтительной форме первая часть подшипника содержит поверхность, выдерживающую опорную нагрузку, а вторая часть подшипника содержит поверхность, выдерживающую осевую нагрузку.
[0011] В еще одной предпочтительной форме первая часть является единым целым со второй частью.
[0012] В еще одной предпочтительной форме первая часть жестко соединена со второй частью.
[0013] В еще одной предпочтительной форме вся плоская поверхность второй части соприкасается с соответствующей плоской поверхностью корпуса клапана, когда подшипник подвергается воздействию комбинированной осевой и крутящей нагрузки.
[0014] В еще одной предпочтительной форме корпус клапана содержит изогнутый выступ, выступающий радиально наружу относительно соответствующей плоской поверхности, при этом указанный изогнутый выступ непосредственно примыкает к плоской поверхности подшипника.
[0015] В еще одной предпочтительной форме запорный элемент содержит диск.
[0016] В еще одной предпочтительной форме корпус подшипника располагается вдоль продольной оси, а фланец подшипника располагается вдоль оси, которая существенным образом перпендикулярна продольной оси.
[0017] В еще одной предпочтительной форме корпус подшипника содержит цилиндрическое тело.
[0018] В еще одной предпочтительной форме фланец подшипника содержит скошенную часть и цилиндрическую часть, а цилиндрическая часть содержит плоскую поверхность.
[0019] В еще одной предпочтительной форме цилиндрическая часть содержит первое и второе плечи, при этом первое плечо развернуто в сторону запорного элемента, а второе плечо содержит плоскую поверхность.
[0020] В еще одной предпочтительной форме корпус клапана содержит изогнутый выступ, выступающий радиально наружу относительно соответствующей плоской поверхности, при этом указанный изогнутый выступ непосредственно примыкает к скошенной части.
[0021] В еще одной предпочтительной форме вся плоская поверхность соприкасается с соответствующей плоской поверхностью корпуса клапана, когда подшипник подвергается воздействию комбинированной осевой и крутящей нагрузки.
[0022] В еще одной предпочтительной форме опорная часть содержит цилиндрическое тело, а упорная часть содержит фланец подшипника, который выходит радиально наружу из цилиндрического тела, и указанный фланец подшипника содержит плоскую поверхность.
[0023] В еще одной предпочтительной форме фланец подшипника содержит скошенную часть и цилиндрическую часть, а указанная цилиндрическая часть содержит первое и второе плечи, при этом второе плечо содержит плоскую поверхность.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0024] В прилагаемых пунктах формулы изобретения подробно описаны характеристики настоящего изобретения, которые считаются новыми. Настоящее изобретение можно лучше всего понять, обратившись к следующему описанию, рассматриваемому в сочетании с сопроводительными графическими материалами, на которых одними и теми же номерами обозначены одни и те же элементы, проиллюстрированные на нескольких Фигурах, при этом:
[0025] На Фиг. 1 проиллюстрирован вид поворотного регулирующего клапана в продольном разрезе, включая первый пример опорно-упорного подшипника, сконструированного в соответствии с идеями настоящего изобретения.
[0026] На Фиг. 2 проиллюстрировано изометрическое изображение упорно-опорного подшипника по Фиг. 1 в увеличенном масштабе.
[0027] На Фиг. 3 проиллюстрирован частичный вид поворотного клапана по Фиг. 1 в увеличенном масштабе с иллюстрацией части упорно-опорного подшипника по Фиг. 2.
[0028] На Фиг. 4 проиллюстрировано поперечное сечение упорно-опорного подшипника по Фиг. 2, установленного в поворотном регулирующем клапане по Фиг. 1. И
[0029] На Фиг. 5 проиллюстрировано поперечное сечение второго примера упорно-опорного подшипника, сконструированного в соответствии с идеями настоящего изобретения и установленного в поворотном регулирующем клапане по Фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0030] На Фиг. 1 проиллюстрирован вид в продольном разрезе поворотного регулирующего клапана 100, сконструированного в соответствии с принципами настоящего изобретения. Поворотный клапан 100 содержит корпус клапана 104, запорный элемент 108, расположенный внутри корпуса клапана 104, и приводной вал 112, который функционально связывает запорный элемент 108 с корпусом клапана 104.
[0031] Корпус клапана 104 в целом цилиндрический и имеет центральное отверстие 116, ограничивающее канал протекания жидкости между отверстием для впуска жидкости 120 и отверстием для выхода жидкости 124. Корпус клапана 104 также содержит приводное отверстие 128, которое адаптировано для принятия приводного вала 112. Запорный элемент 108 размещен внутри канала протекания жидкости и проиллюстрирован как диск с периферийным краем 132, который герметично соединяется с седлом клапана или кольцевой уплотняющей поверхностью 136 (например, кольцевым уплотнением), расположенной в центральном отверстии 116, для предотвращения потока жидкости через клапан 100. Приводной вал 112 размещен в приводном отверстии 128 вдоль продольной оси 140. Запорный элемент 108 функционально связан с одним концом 138 приводного вала 112 посредством штифта 130. В других примерах запорный элемент 108 может быть функционально связан с приводным валом 112 другими соединителями, такими как гайки, болты, сварные соединения, адгезивы, заклепки и т.п. В любом случае, когда запорный элемент 108 соединен с приводным валом 112, приводной вал 112 может двигать (например, поворачивать) запорный клапан 108 между закрытым положением, показанным на Фиг. 1, в котором периферийный край 132 запорного элемента 108 герметично соединяется с седлом клапана 136 для закрытия клапана 100, и открытым положением (не проиллюстрировано), в котором периферийный край 132 запорного элемента 108 расположен на определенном расстоянии от седла клапана 136 для обеспечения возможности протекания жидкости через клапан 100.
[0032] Привод (не показан) может быть функционально связан со вторым концом 144 приводного вала 112 для приведения в движение (например, поворачивания) запорного элемента 108 между закрытым положением и открытым положением для управления потоком жидкости сквозь клапан 100. Второй конец 144 приводного вала 106 может быть шлицевым концом, квадратным концом, круглым концом или концом практически любой другой формы, позволяющей второму концу 144 функционально соединиться с приводом. Хотя привод и не проиллюстрирован в настоящем документе, он может быть механическим приводом (например, ручкой), пневматическим приводом, гидравлическим приводом, электроприводом или любым другим подходящим приводом.
[0033] Как проиллюстрировано на Фиг. 1, клапан 100 также содержит сальник 148, размещенный в приводном отверстии 128 в корпусе клапана 102 и соединяющийся с приводным валом 112 для предотвращения утечки жидкости. Набивочный воротник 152, соединенный с корпусом клапана 102 посредством шипов набивочного воротника 156 и болтов 160, удерживает сальник 148 в требуемом положении. Набивочный воротник 152 выполнен с возможностью регулировки для изменения силы, прикладываемой к сальнику 148, что приводит к изменению уплотнения между сальником 148 и приводным валом 112.
[0034] Продолжая ссылаться на Фиг. 1, клапан 100 дополнительно содержит пару подшипников 200, сконструированных в соответствии с идеей настоящего изобретения. Подшипники 200 размещены в приводном отверстии 128 между корпусом клапана 104 и приводным валом 112 для упрощения вращения приводного вала 112. Подшипники 200 также служат для выравнивания или аксиального расположения запорного элемента 108 относительно корпуса клапана 104, в частности, седла клапана 136. Более конкретно, подшипники 200 выравнивают запорный элемент 108 вдоль продольной оси 140 и вдоль продольной оси 204 приводного вала 112 так, чтобы запорный элемент 108 располагался относительно седла клапана 136 с возможность управления потоком жидкости сквозь клапан 100, как требуется.
[0035] Следует иметь в виду, что клапан 100 может отличаться от поворотного клапана 100, проиллюстрированного на Фиг. 1. Форма и/или размер корпуса клапана 104 может быть различной. Форма и/или размер запорного элемента 108 также может быть различной. Например, хотя запорный элемент 108 проиллюстрирован в виде диска, запорный элемент 108 может в других вариантах реализации представлять собой сегментированный шар или любой другой подходящий запорный элемент. Более того, также следует принять во внимание, что подшипники 200 не ограничены приводимым в качестве примера клапаном 100, проиллюстрированным на Фиг. 1, и могут использоваться с или в других типах поворотных клапанов, таких как, к примеру, шаровой клапан, сегментированный клапан и т.д.
[0036] На Фиг. 2 проиллюстрирован один из подшипников 200, используемых в клапане 100, проиллюстрированном на Фиг. 1. Подшипник 200, проиллюстрированный на Фиг. 2, изготовлен или сформирован из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) и имеет цилиндрический корпус 208 и D-образный фланец подшипника 212, который выходит радиально наружу из корпуса 208 рядом или недалеко от одного конца 214 корпуса 208. Форма фланца подшипника 212 обычно ограничена скошенной частью 216 и цилиндрической частью 217. Скошенная часть 216 имеет плоский край 218. Цилиндрическая часть 217 фланца подшипника 212 имеет кольцевой край 219 и пару плеч 220A, 220B, которые направлены радиально вовнутрь от края 216. Плечо 220A представляет собой плоскую поверхность, адаптированную для размещения между корпусом клапана 104 и запорным элементом 108, в то время как плечо 220B представляет собой плоскую поверхность, адаптированную для соединения или герметичного соединения с соответствующей плоской поверхностью корпуса клапана 104, как будет более подробно описано ниже. Как будет также более подробно описано ниже, плечо 220B сконфигурировано для принятия или выдерживания тяги без выхода из строя. Соответственно, плечо 220B также может называться поверхностью, выдерживающей осевую нагрузку.
[0037] На Фиг. 3 проиллюстрирована вырезанная часть 250 клапана 100 с одним из подшипников 200, соединенных с ней. Часть 250 клапана 100, проиллюстрированная на Фиг. 3, соответствует части корпуса клапана 104, направленной в сторону верхней поверхности запорного элемента 108 (по меньшей мере, в ракурсе, проиллюстрированном на Фиг. 1). Эта часть 250 содержит опорный элемент 252, который принимает форму изогнутого выступа 254, и плоскую поверхность 258, направленную вовнутрь от изогнутого выступа 254. Следует иметь в виду, что структура и положение изогнутого выступа 254 упрощает использование D-образного подшипника 200 (в отличие от известных выступов, которые не структурированы и расположены для принятия полномерных подшипников). В этом примере изготовление или формирование опорного элемента 252 включает в себя вальцевание задней стенки клапана 100 до заданной глубины, что позволяет максимально увеличить подшипник 200 без ущерба для геометрической формы полости уплотнения (то есть, изогнутого выступа 254). Конечно, опорный элемент 252 можно сформировать заранее в корпусе клапана 104 или изготовить каким-либо иным подходящим способом.
[0038] Как проиллюстрировано на Фиг. 3 и 4, подшипник 200 присоединен к части 250 клапана 100 таким образом, что первая часть 262 подшипника 200 размещена между корпусом клапана 104 и приводным валом 112, а вторая часть 266 подшипника 200 размещена между корпусом клапана 104 и запорным элементом 108. Первая часть 262, которая содержит значительную часть корпуса подшипника 208, проходит вдоль продольной оси 140 и служит частью, на которую приходится опорная нагрузка. Вторая часть 266, которая содержит фланец подшипника 212 и, более конкретно, скошенную часть 216, размещена между корпусом клапана 104 и запорным элементом 108. Скошенная часть 216 размещена непосредственно возле изогнутого выступа 254. Как проиллюстрировано, плечо 220A развернуто лицом к запорному элементу 108, в то время как плечо 220B подшипника 200 соприкасается или сидит на плоской поверхности 258. Плечи 220A, 220B, которые выходят радиально наружу из корпуса 208, проходят вдоль оси, которая существенно перпендикулярна продольной оси 140 и продольной оси 204 (то есть, фланец 212 в существенной степени перпендикулярен продольной оси 140 и продольной оси 204). В такой компоновке вторая часть 266 служит частью, на которую приходится осевая нагрузка.
[0039] В то время как на Фиг. 3 и 4 проиллюстрирован только один из подшипников 200, присоединенных к клапану 100, и только один опорный элемент 252, следует принимать во внимание, что клапан 100 содержит дополнительный опорный элемент (не проиллюстрирован), который идентичен опорному элементу 252, а также еще один подшипник 200, который присоединен к корпусу клапана 104 аналогичным образом, как в общих чертах проиллюстрировано на Фиг. 1.
[0040] Во время работы привод перемещает запорный элемент 108 между открытым положением, в котором жидкость течет по каналу протекания жидкости клапана 100, и закрытым положением, в котором запорный элемент 108 соприкасается с уплотняющей поверхностью 136 для создания уплотнения и обеспечения перекрытия пути (то есть, предотвращения потока жидкости по каналу протекания жидкости клапана 100). Когда привод перемещает запорный элемент 108 в открытое положение, на подшипники 200 начинает действовать крутящая нагрузка. Когда эта крутящая нагрузка прилагается совместно с осевой нагрузкой (осевой нагрузкой вдоль продольной оси 140), обычные подшипники, такие как закругленный подшипник, обсуждавшийся выше в разделе, посвященном уровню техники, имеют тенденцию смещаться с корпуса клапана 104 и, со временем, обычно выходят из строя. Это особенно относится к ситуациям, когда приводной вал поворотной заслонки разбалансирован, как и вал 112 (потому что сальник 148 расположен только на конце приводного вала, таким образом, прикладывая к валу 112 неуравновешенную силу, когда клапан 100 находится под давлением). Однако подшипники 200 реагируют по-разному на такую комбинированную нагрузку. Вместо этого, когда подшипники 200 подвергаются воздействию комбинированной осевой и крутящей нагрузки, подшипники 200 продолжают упираться в и поддерживаться корпусом клапана 104, таким образом, подшипники 200 могут принять или выдержать такую комбинированную нагрузку. В то время как подшипники 200 будут вращаться в ответ на приложение комбинированной осевой и крутящей нагрузки, плечо 220B каждого подшипника 200 не будет перемещаться аксиально (то есть, не будет перемещаться вдоль продольной оси 140), а вместо этого будет оставаться в контакте с соответствующей плоской поверхностью 258. Поскольку и плечи 220B, и поверхности 258 являются плоскими и параллельными друг другу, каждое плечо 220B будет полностью соприкасаться с соответствующей плоской поверхностью 258 таким образом, чтобы каждая плоская поверхность 258 поддерживала соответствующее плечо 220B всей своей площадью. Другими словами, плоские поверхности 258 и корпус клапана 104 в целом полностью поддерживают плечи 220B. Таким образом, подшипники 200 способны принимать или выдерживать комбинированную осевую и крутящую нагрузку (то есть, подшипники 200 не выйдут из строя в ответ на приложение комбинированной осевой и крутящей нагрузки, даже по прошествии ряда циклов).
[0041] В то время как подшипник 200 изготовлен или сформирован из ПЭЭК, следует принять во внимание, что подшипник 200 может вместо этого быть изготовлен или сформирован из другого вида пластика, одного или более металлов и/или любых других подходящих материалов. В некоторых случаях подшипник 200 может быть изготовлен или сформирован как из пластика, так и из металлического материала. Например, подшипник 200 может быть изготовлен из металла, но облицован мягким пластиком. Более того, в то время как подшипник 200 описывается как цельный подшипник, подшипник 200 может в качестве альтернативного варианта состоять из двух или более компонентов, или частей. На Фиг. 5 проиллюстрирован пример такого альтернативного подшипника в форме подшипника 300, который содержит первую или упорную часть 304 и вторую или опорную часть 308, присоединенную к первой части 304. В проиллюстрированном примере вторая часть жестко присоединена (например, приклеена, приварена и т.п.) к первой части 304, хотя в других примерах вторая часть 308 может быть присоединена к первой части 304 с возможностью отсоединения. Первая часть 304 в значительной степени аналогична второй части, описанной выше 266, в то время как вторая часть 308 в значительной степени аналогична первой части 262, описанной выше. Первая и вторая части 304, 308 могут быть сделаны из одного и того же материала (например, металла, ПЭЭК) или из разных материалов (например, первая часть 304 может быть сделана из металла, в то время как вторая часть 308 может быть сделана из пластика). Также возможно применение иных подшипников, состоящих из нескольких частей. В любом случае возможно использование состоящего из двух частей подшипника 300, а также иных подшипников, состоящих из двух или более частей, вследствие структуры опорного элемента 252 (который, как указывалось ранее, содержит модифицированный выступ 254).
[0042] Хотя определенные подшипники были описаны в настоящем документе в соответствии с идеями настоящего изобретения, охват настоящего патента ими не ограничивается. Напротив, хотя изобретение было показано и описано в связи с различными предпочтительными вариантами реализации, совершенно очевидно, что можно внести определенные изменения и модификации в дополнение к тем, чтоб упоминались ранее. Настоящий патент охватывает все варианты реализации идеи раскрываемого изобретения, которые объективно подпадают под определение допустимых эквивалентов. Соответственно, целью является защита всех вариаций и модификаций, которые могут прийти в голову специалисту обычной квалификации в данной области техники.