РАБОЧИЙ УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ КОМПЕНСАТОРА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

Полезная модель относится к средствам пневмогидравлической техники и может быть использована в различных приборах, а точнее, в компенсаторах гидравлического удара, предназначенных для защиты гидро- и пневмосистем, в частности, их узлов и элементов, в особенности, счетчиков топлива, от гидравлического удара и колебаний давления движущейся рабочей среды при ее перекачивании насосами, в том числе и топливными, в топливных системах двигателей любого назначения.
Известно устройство для гашения гидравлических ударов, содержащее проточный корпус, установленный внутри защищаемого трубопровода, а также соосно размещенные в корпусе сопло и последовательно соединенные диффузор и конфузор. Устройство содержит внешнюю (за пределами трубопровода) вспомогательную емкость, связанную с упомянутым корпусом посредством трубки. Возле диффузора установлена насадка, содержащая механизм управления в виде поворотного элемента с аэродинамическим профилем, направленным вдоль потока, и снабженного двумя упорами. Это устройство используется в магистральных трубопроводах. При установившемся режиме водоразбора, корпус через дополнительную трубку постоянно забирает из вспомогательной емкости определенное количество воды. При остановке насосного агрегата, образовавшаяся волна давления воды, встречается с дополнительной трубкой, и часть воды возвращается в вспомогательную емкость, где упомянутая волна теряет большую часть своей энергии [см. патент России №2111405 по классу F16L 55/04 опубликованный 20.05.1998 года].
Основным недостатком этого устройства является сложность и нерациональность его конструкции, обусловленные отсутствием в его составе рабочих упругих элементов. Именно это обстоятельство и вынуждает размещать одну часть устройства в самом трубопроводе, а вторую - извне. По этой причине эксплуатация такого устройства вынуждает постоянно подпитывать вспомогательную емкость водой, а это, в свою очередь, требует снабжения самого устройства дополнительной системой водоснабжения. При монтаже устройства на трубопроводе возникает необходимость в нарушении его целостности для размещения внутри части устройства. Все это создает определенные неудобства и приводит к повышению затрат на монтаж и эксплуатацию известного устройства для гашения гидравлического удара.
Этот недостаток устранен в устройстве для гашения гидравлического удара, содержащем корпус, и размещенные в нем нормально открытый клапан, выполненный в виде поворотных неперфорированных заслонок, соединенных между собою с помощью упругой связи и демпфирующих элементов, и установленных в корпусе: одна перед клапаном, а другая - после клапана, при этом демпфирующие или рабочие элементы устройства, выполнены в виде неподвижного профилированного сердечника с кольцевыми канавками и опорным элементом, упорных элементов в виде набора ребер жесткости и поворотных профилированных и перфорированных лепестков, связанных шарнирно с сердечником. Шарниры размещены в канавках, а лепестки соединены между собой упругим элементом. При этом лепестки демпфирующих элементов, установленных до и после клапана, могут иметь различную величину перфорации, а угол наклона лепестков демпфирующих устройств в исходном положении может быть меньше или равен углу наклона заслонок в их исходном положении. При возникновении гидроудара, волна повышенного давления на его фронте раскрывает лепестки демпфирующего элемента, установленного перед клапаном, преодолевая сопротивление упругого элемента. Раскрытые перфорированные лепестки гасят пиковые нагрузки давления возмущенной среды. Далее волна повышенного давления закрывает поворотные заслонки клапана, и повышенное давление в отсеченной зоне перед клапаном продолжает гаситься перфорированными лепестками, причем фиксирование лепестков в раскрытом положении интенсифицирует процесс рассеивания энергии и затрачивания энергии потока на складывание лепестков и перевод их в исходное положение. Одновременно в зоне за клапаном происходит движение жидкости по инерции, при этом за счет проскочившей части энергии потока раскрываются перфорированные лепестки демпфирующего элемента, установленного за клапаном, что ведет к дальнейшему рассеиванию энергии потока до приемлемого уровня [см. патент России №2031300 по классу F16L 55/04 опубликованный 20.03.1995 года].
Основным недостатком этого устройства для гашения гидравлического удара является чрезмерная сложность конструкции его рабочих органов, а точнее тех его узлов, которые непосредственно обеспечивают гашение гидроудара и волны повышенного давления рабочей среды. Это обусловлено наличием большой номенклатуры миниатюрных деталей в их конструкции. При этом, несмотря на всю сложность рабочих органов этого компенсатора гидравлического удара, они, все же, имеют высокую инерционность, из-за которой наблюдается проскакивание неуравновешенной части энергии потока рабочей среды через нормально открытый клапан, что недопустимо для некоторых приборов, устанавливаемых
в гидросистему, в частности, для счетчиков топлива, используемых в топливных системах двигателей, работающих на жидком топливе.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является рабочий упругий элемент компенсатора гидравлического удара, выполненный в виде цилиндрической трубки из эластичного материала (мембраны) и охватывающих ее вкладышей из упругого материала, выполненных в виде колец с распределенными по их поверхности выемками в виде кольцевых, или радиальных, или спиральных канавок или углублений произвольной формы и/или по их объему полостями в виде продольных или радиальных проточек, а также вкладыши разделены кольцами меньшего диаметра, образующими кольцевые канавки. Рабочий упругий элемент описанной конструкции устанавливается во внутрь цилиндрического корпуса компенсатора гидравлического удара и вместе с ним надевается на перфорированный участок трубопровода. При резком повышении давления рабочей среды, она, через перфорационные отверстия в трубопроводе, разрывает упругую мембрану, и волна неуравновешенного давления гасится за счет диссипации энергии на перфорационных отверстиях, а также вследствие податливости трубки и вкладыша из упругого материала, которые под воздействием волны давления деформируются и выдавливаются в выемки или полости [см. патент России №2144641 по класса F16L 55/04 опубликованный 20.01.2000 года].
Основным недостатком известного рабочего упругого элемента компенсатора гидравлического удара является одноразовость его использования из-за разрыва мембраны (нарушения ее целостности) вследствие динамического воздействия на нее давления рабочей среды в момент гашения гидравлического удара значительной силы.
Вторым недостатком этого рабочего упругого элемента компенсатора гидравлического удара является не эффективность использования его отдельных частей, в частности, вкладышей, при небольшой силе гидравлического удара, поскольку в этом случае мембрана не разрывается и доступ к вкладышам отсутствует.
Третьим недостатком известного рабочего упругого элемента компенсатора гидравлического удара является нетехнологичность его изготовления из-за наличия в его конструкции нескольких разновидностей вкладышей. Этот недостаток обуславливает необходимость использования специальных литейных форм для изготовления вкладышей, имеющих нестандартную и довольно сложную пространственную конструкцию. Кроме того, поскольку вкладыши имеют разные виды канавок и выемок, нужны, соответственно, и разные литейные формы, а это, естественно, отражается в худшую сторону на себестоимости рабочих упругих элементов, увеличивая их стоимость.
И последним, четвертым, недостатком известного рабочего упругого элемента компенсатора гидравлического удара является ограниченность области его использования. Наличие этого недостатка обусловлено тем, что он изготавливается индивидуально под каждый диаметр трубопровода, поскольку в его конструкцию входит мембрана, которая должна его плотно охватывать. Поэтому, из-за определенного размера мембраны и размера вкладышей: корпус компенсатора должный иметь строго цилиндрическую форму адекватного диаметра и длины. В корпус иных размеров и на трубопровод иного диаметра, такой рабочий упругий элемент невозможно соответственно ни вставить, ни надеть. Следовательно, из-за большого ассортимента диаметров трубопроводов, возникает необходимость в изготовлении и соответствующей номенклатуры рабочих упругих элементов.
В основу полезной модели поставлена задача упрощения конструкции рабочего упругого элемента компенсатора гидравлического удара с одновременным расширением области его применения и повышения его эксплуатационных характеристик, в частности, срока службы и нечувствительности к мощности гидравлического удара, за счет отсутствия разрушаемых при гидравлическом ударе деталей в конструкции рабочего упругого элемента и постоянной его готовности к гашению удара путем обеспечения постоянного контакта их с протекающей рабочей средой, независимости от направления движения последней в компенсаторе.
Решение поставленной задачи достигается тем, что рабочий упругий элемент компенсатора гидравлического удара, выполненный в виде вкладыша из упругого материала, согласно предложению, вкладыш имеет форму шарика из упругого материала, в качестве которого используется маслобензостойкая или иная резина или пластик, размеры, жесткость, упругость и эластичность которого (шарика) подбираются в зависимости от эксплуатационных характеристик (давления и размеров) гидра- или пневмосистемы, в которой используется компенсатор гидравлического удара любой формы и размеров.
Выполнение рабочего упругого элемента в форме шарика предельно упрощает его конструкцию, а также, при заполнении в любом количестве упругими шариками корпуса компенсатора гидравлического удара, позволяет использовать только одну конструкцию рабочего упругого элемента.
Выполнение рабочего упругого элемента в форме шарика делает его нечувствительным к направлению движения потока рабочей среды, поскольку для сферической поверхности не имеет значения, откуда на нее оказывают давление.
В случае появления гидравлического удара, волна повышенного давления гасится за счет сжатия рабочего упругого элемента. Регулирование диапазона частот волн неуравновешенного
давления и степени снижения их амплитуды достигается варьированием размерами упругих шариков, их жесткостью и эластичностью, что делает их универсальными и пригодными для использования в любых по форме и размерами компенсаторах гидравлического удара.
Сферическая форма рабочего упругого элемента выбрана не случайно. Именно такая форма не позволяет смежным вкладышам слипаться по плоскостям между собой, следовательно, демпфирующие свойства компенсатора всегда остаются одинаковыми. Именно сферическая форма делает компенсатор нечувствительным к направлению движения рабочей среды. Любая иная форма рабочих элементов лишь ухудшает работу компенсатора с этой точки зрения.
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с принципом работы предложенного рабочего упругого элемента компенсатора гидравлического удара, выполненного, например, в виде обычной емкости (корпуса) плотно заполненной вкладышами со штуцерами на торцах для присоединения к гидросистеме.
При постоянном режиме движения рабочей среды в гидросистеме, она под давлением попадает через штуцер в корпус компенсатора, полностью заполненного рабочими упругими элементами в виде резиновых шариков. Здесь рабочая среда, сталкивается с вкладышами и омывает их. При возникновении гидравлического удара, волна повышенного давления, или неуравновешенного потока рабочей среды, натыкается на вкладыши, которые, благодаря своей податливости (упругости), рассеивают волну энергии до приемлемого уровня, а сферическая форма многократно меняет направление движения рабочей среды, что также способствует рассеиванию энергии неуравновешенного давления.
Существенное отличие заявляемого объекта полезной модели, от ранее известных, заключается в том, что рабочий упругий элемент компенсатора гидравлического удара, выполнен в виде вкладыша в форме шарика из упругого материала, в качестве которого используется маслобензостойкая резина. Указанное отличие максимально упрощает конструкцию рабочих органов и они становятся универсальными, что позволяет их использовать в компенсаторах гидравлического удара любой формы и размеров. Ни один из известных рабочих органов компенсаторов не может обладать отмеченными свойствами, поскольку конструктивно содержат либо разрушаемые элементы, либо требуют механического крепления.
К техническим преимуществам предложенного технического решения, в сравнении с прототипом, можно отнести следующее:
- увеличение срока эксплуатации (практически не ограниченный) до естественного износа рабочих упругих элементов за счет отсутствия в конструкции разрушаемых и подвижных деталей;
- повышение технологичности изготовления и упрощения конструкции за счет использования элементов сферической формы, то есть наиболее распространенной и простой формы;
- нечувствительность к направлению движения рабочей среды по той же причине;
- надежность гашения гидравлического удара за счет постоянного протекания рабочей среды через большое количество рабочих упругих элементов;
- возможность регулирования эксплуатационных характеристик за счет использования элементов разной жесткости, эластичности и размеров;
- универсальность из-за небольших размеров и сферичности, что позволяет их использовать в компенсаторах любых размеров и формы.
Социальный эффект от внедрения предложенного технического решения, в сравнении с использованием прототипа, получают за счет расширения области применения рабочего упругого элемента компенсатора гидравлического удара, а также высокой надежности его эксплуатации и полного гашения энергии неуравновешенной среды. Именно по этой причине известные компенсаторы не используются в топливных системах двигателей транспортных средств, поскольку не обеспечивают полное гашение гидравлического удара. Это в особенности актуально, если в топливную систему включены счетчики топлива. Как известно, эти приборы очень чувствительны к перепадам давления и, дают неверные показания при наличии таких перепадов, которые обязательно возникают при работе топливных насосов. Наличие же счетчиков топлива позволяет не только точно контролировать его расход, но и предупредить его несанкционированное изъятие.
Экономический эффект от внедрения предложенного технического решения, в сравнении с использованием прототипа, получают за счет снижения стоимости рабочего упругого элемента компенсатора гидравлических ударов, а также, чем счет снижения трудоемкости его изготовления и уменьшения количества оснастки.