ДИСКОВЫЙ ЗАТВОР

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре и может быть использована в качестве запорного или регулирующего устройства для трубопроводов, по которым протекают жидкие и газообразные рабочие среды.
Известна конструкция поворотного дискового затвора [А.с. СССР №703047, МКИ F 16 К 1/226], включающего корпус, кольцевое седло (уплотнительный элемент) из эластичного материала и взаимодействующий с ним дисковый запорный орган. Отличительной особенностью такого затвора является форма внутренней поверхности уплотнительного элемента. На цилиндрической поверхности в местах прохода полуосей диска выполнены сферические впадины, способствующие повышению герметичности. Однако установлено, что наличие участка сопряжения внутренней цилиндрической поверхности со сферической не позволяет достигнуть высокой степени герметичности из-за присутствующего острого угла. Кроме того, в процессе эксплуатации затвора указанный острый угол существенно изнашивается, что приводит к дополнительному снижению качества уплотнения.
В качестве прототипа выбрана поворотная дисковая заслонка (дисковый затвор) [Патент РФ 2146782, опубл. 20.03.2000]. В корпусе устройства установлено седло с уплотнительной втулкой, имеющей торцевые буртики и уплотнительную поверхность в виде наклонного цилиндра, ось которого наклонена к оси симметрии проходного отверстия корпуса на угол 3-20 град,. Каждое сечение наклонного цилиндра, перпендикулярное оси симметрии проходного отверстия корпуса, имеет вид окружности. Поворотный диск консольно закреплен на приводном валу, установленном в корпусе перпендикулярно оси симметрии его проходного отверстия и со смещением относительно указанной оси. Таким образом, затвор является трехэксцентриситетным, он сложен в изготовлении и требует высокой точности соблюдения эксцентриситетов для обеспечения герметичности в затворе.
В основу полезной модели поставлена задача упрощения конструкции и упрощение сборки.
Поставленная задача решается следующим образом. Дисковый затвор имеет корпус, в котором установлен поворотный диск и уплотнительный элемент в виде втулки из эластомерного материала и имеющей торцевые радиальные буртики. Уплотнительная поверхность втулки имеет форму наклонного цилиндра с основаниями в виде окружностей. Угол между продольной осью наклонного цилиндра и продольной осью симметрии корпуса составляет 2-20 градусов. От прототипа затвор отличает то, что ось вращения диска совпадает с его осью симметрии и проходит через точку пересечения осей симметрии корпуса и оси симметрии наклонного цилиндра и перпендикулярна плоскости, в которой расположены упомянутые оси. Диаметр окружностей основания наклонного цилиндра меньше диаметра диска на столько, чтобы обеспечить получение относительной деформации втулки при закрытом положении затвора 5-15%, а сечение наклонного цилиндра плоскостью, проходящей через ось вращения диска и ориентированной под углом к плоскости основания, имеет форму эллипса, одна из полуосей которого лежит по оси вращения диска.
Во втулке целесообразно выполнить торцевые цилиндрические проходные каналы, диаметр которых равен диаметру окружностей основания наклонного цилиндра, и сопрягающиеся с наклонным цилиндром.
Более подробно полезная модель раскрывается в приведенном ниже примере реализации и иллюстрируется Фигурами, на которых представлено:
Фиг.1 - общий вид дискового затвора (вид с торца). Фиг.2 - продольное сечение втулки с диском в положении «закрыто» Фиг.3 - продольное сечение втулки, Фиг.4 - вид втулки с торца. Фиг.5 - изменение положения диска в наклонном цилиндре при повороте на открывание, Фиг.6 - изменение формы сечения уплотнительной поверхности при повороте диска на открывание.
Корпус 1 дискового затвора состоит из двух частей, соединенных болтовыми соединениями. Поворотный диск 2 имеет вертикальную ось вращения и закреплен на полуосях, одна из которых является приводной полуосью 3. Полуоси соосны вертикальной ось симметрии диска, т.е. диск размещен не консольно. При этом ось вращения диска (его вертикальная ось симметрии) проходит через точку пересечения оси симметрии корпуса и оси симметрии
наклонного цилиндра и перпендикулярна плоскости, в которой расположены упомянутые оси,
1
2
Уплотнительный элемент выполнен в виде втулки 4 из эластомерного материала и имеющей торцевые радиальные буртики, охватывающие наружные поверхности корпуса. Уплотнительная (рабочая) поверхность 5 втулки 4 имеет форму наклонного цилиндра с основаниями 6 в форме окружностей. Сечение наклонного цилиндра плоскостью, ориентированной под углом к плоскости его основания, проходящей через ось вращения диска имеет форму эллипса, одна из полуосей которого лежит по оси вращения диска. При повороте диска на открывание меньшая полуось эллипса лежит по оси вращения диска. В зависимости от типоразмера затвора угол α между продольной осью наклонного цилиндра и продольной осью симметрии корпуса составляет 2-20 град. При этом экспериментально установлено, что угол свыше 20 градусов приводит к увеличению усилия создания герметичности в затворе, а угол меньше 2 градусов не позволяет уменьшить крутящий момент на приводной оси 3. Диаметр D окружностей основания наклонного цилиндра меньше диаметра диска D по его наружной кромке на столько, чтобы обеспечить получение относительной деформации втулки при закрытом положении затвора 5-15%. Конкретное значение зависит от типоразмера затвора и от свойств эластомера. Чем меньше модуль упругости, тем большая относительная деформация требуется для получения заданной герметичности.
2
1
Приведем конкретные примеры по параметрам. Пример 1. Конструкция затвора DN 50 соответствует описанной выше. При использовании для втулки вулканизованной резиновой смеси, у которой твердость по Шору составляет 75 ед, диаметр диска по кромке D составляет 51 мм, диаметр основания D наклонного цилиндра, а следовательно диаметр окружности, по которой осуществляется контакт с диском в положении «закрыто» составляет 50 мм при толщине боковой стенки в сечении проходящем через ось диска и перпендикулярном продольной оси корпуса (в зоне контакта с кромками диска в положении «закрыто») - 5 мм. При таких размерах относительная деформация составляет 10%. Конструкция обеспечивает герметичность при давлении 1,6 МПа.
Во втулке могут быть выполнены торцевые цилиндрические проходные каналы 7, диаметр которых равен диаметру окружностей основания наклонного цилиндра и сопрягающиеся с наклонным цилиндром, образуя единый изогнутый канал, оси входа и выхода которого смещены относительно продольной оси корпуса. Это позволяет уменьшить длину наклонного канала при сохранении регламентируемой строительной длины дискового затвора и тем самым сохранить необходимую толщину стенок втулки на ее торцевых частях. Пример 2. Конструкция затвора DN 150 соответствует описанной выше. При использовании для втулки вулканизованной резиновой смеси, у которой твердость по Шору составляет 75 ед, диаметр диска по кромке составляет 146 мм, диаметр основания наклонного цилиндра, а следовательно диаметр окружности, по которой осуществляется контакт с диском в положении «закрыто» составляет 144,5 мм при толщине боковой стенки в сечении проходящем через ось диска и перпендикулярном продольной оси корпуса (в зоне контакта с кромками диска в положении «закрыто») - 10 мм. При таких размерах относительная деформация составляет 7,5%. Конструкция обеспечивает герметичность при давлении 1,6 МПа.
Устройство работает следующим образом. В закрытом положении диск 2 находится в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 1. Уплотнение происходит при контакте двух окружностей: окружности кромки диска и окружности в поперечном сечении наклонного цилиндра. Поскольку диаметр диска больше диаметра основания наклонного цилиндра, а следовательно, диаметра наклонного цилиндра в зоне контакта с диском, то происходит уплотнение соединения. При заданных параметрах (относительная деформации втулки при закрытом положении затвора 5-15%) обеспечивается герметичность при давлении до 1,6 МПа.
1
2
При открывании затвора усилие на приводной оси 3 приводит во вращение диск 2, который поворачиваясь вокруг своей оси на угол β, β, последовательно занимает положения, в которых зазор между кромками диска и стенками наклонного цилиндра (см. эллиптические сечения на Фиг.5, 6) увеличивается, а, следовательно увеличивается проходное сечение.
При закрытии затвора вращение осуществляется в обратном направлении до тех пор, пока диск не встанет в поперечное относительно продольной оси корпуса положение (описанный выше контакт окружность-окружность). Дальнейшее
движение диска невозможно, поскольку его кромки упираются в стенки наклонного цилиндра с его «отрицательными» эллиптическими сечениями, у которых большая полуось (при повороте на открывание) становится малой полуосью, которая меньше диаметра диска. Затвор плотно закрыт.
При такой конструкции для открывания диска нужно преодолеть усилие прижатия кромки диска к уплотнительной поверхности в зоне контакта с втулкой. Боковые участки кромки диска при незначительном его повороте выходят из контакта с втулкой т.к. входят в эллиптические сечения. Это значительно снижает усилия на открывание при сохранении высокой герметичности затвора при нахождении диска в положении «закрыто»
Экспериментально установлено, что в предлагаемой конструкции затвора крутящий момент на приводной полуоси уменьшается на 20% по сравнению с конструкцией затвора того же типоразмера, но с цилиндрической формой рабочей поверхности втулки.
При сохранении высокой герметичности и уменьшении усилий на открывание диска, конструкция затвора существенно проще при изготовлении и монтаже, поскольку в ней отсутствуют эксцентрики.