ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ПРИВОДА ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ С ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ СПЛАВА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области трубопроводной арматуры, в частности к сильфонным клапанам, и предназначена для использования в качестве привода запорной арматуры для химической промышленности, водопроводах, нефтепроводах и теплоэнергетике.
Известна конструкция задвижки для аварийного отключения топливных трубопроводов (RU 194816 от 24.12.2019), содержащая корпус с крышкой, затвор, жестко соединенный со штоком, установленным в стойке, закрепленной на крышке корпуса и снабженной отверстием в ее перекладине для прохода штока, и механизм перемещения штока, расположенный снаружи корпуса, содержащий исполнительный элемент (пружину), выполненный из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ) и воздействующий изменением длины при трансформации на шток с помощью закрепленной в расположенной над корпусом части штока упорной гайки.
При возникновении аварийной ситуации, в частности, пожара на скважине или в зоне расположения трубопровода, температура вблизи задвижки резко повышается. Пружина, выполненная из материала с памятью формы и являющаяся исполнительным элементом механизма автоматического срабатывания, при нагревании изменяет форму, становится длиннее и воздействует нижним опорным диском на упорную гайку штока, вследствие чего соединенный со штоком двухдисковый клиновой затвор перемещается вниз и перекрывает поток среды в корпусе. После окончания аварийной ситуации пружина возвращается в исходное первоначальное положение, и проход потока среды возобновляется.
Недостатком конструкции является осуществление только одноразового срабатывания. Для реализации ЭПФ необходимо приложение предварительной деформации, активирующей фазовый переход из мартенситной фазы сплава в аустенитную при воздействии на материал нагревом. Согласно принципу работы данного устройства, после аварийного срабатывания задвижки путем удлинения пружины из нитинола, пружину возвращают в исходное положение, однако в данной конструкции не предусмотрено механизма для деформирования пружины и, соответственно, осуществления повторного срабатывания задвижки.
Известен автоматический термозапорный клапан, содержащий прямоточный полый корпус с выполненным в нем седлом и направляющей втулкой. Во втулке установлен с возможностью скольжения шток, нагруженный со стороны затвора пружиной сжатия. С другого конца шток охвачен уложенным в кольцевой канавке штока прутком из материала с памятью формы.
В аварийной ситуации, например, при повышении температуры в клапане или вокруг него, пруток, выполненный из термочувствительного материала с памятью формы, принимает первоначальную изогнутую кольцевую форму с увеличенным диаметром, при которой он не препятствует перемещению штока под действием сжатой пружины, и при растяжении последней, затвор, перемещаясь в крайнее правое положение, взаимодействует с седлом и перекрывает проходное сечение корпуса, переводя клапан в закрытое положение.
Несмотря на то, что предложенная конструкция направлена на использование износостойкого материала с памятью формы с целью сокращения количества замен термочувствительного прутка, после аварийного срабатывания возникает необходимость ручной переналадки прутка из материала с эффектом памяти формы в исходное положение специалистом в данной области техники.
Механическая активация эффекта памяти формы предусмотрена в патенте CN 203770816. Конструкция представляет собой регулирующий клапан с возможностью открытия и закрытия под воздействием температуры, состоящий из трех частей: привода, регулятора и корпуса клапана.
Регулятор и привод представлены в виде расположенных в полости регулировочной крышки фиксирующего кольца, позиционируемым с помощью колпачка и с установленным внутри него магнитным кольцом.
В магнитном кольце установлен уплотнительный цилиндр, разделяющий его с расположенным внутри магнитным поршневым узлом, связанным через позиционирующую крышку с соединительной установочной гайкой, объединенных настраивающей пружиной. В отверстии регулировочной крышки, закрытой регулировочным колпачком, установлен элемент из сплава с памятью формы, опирающийся на седло с памятью формы, установленное в соединительной установочной гайке. Корпус клапана с входным и выходным отверстиями для прохождения потока среды также включает поршень, установленный соосно с поршневым узлом в крышке клапана.
Открытие и закрытие клапана осуществляется с помощью элемента, совмещенного с седлом, выполненных из сплава с памятью формы (СПФ) и реагирующих на повышение температуры путем растяжения, приводящего к подъему магнитного кольца. Магнитное кольцо под действием магнитного притяжение тянет за собой магнитный узел с поршнем, тем самым открывая клапан. Когда температура окружающей среды возвращается к норме, элемент из СПФ начинает сжиматься, и под напором настраивающей пружины фиксирующее кольцо перемещается вниз вместе с магнитным кольцом, блокируя отверстие диафрагменного поршня. Кроме того, данная конструкция имеет составную закручивающуюся крышку, позволяющую регулировать степень деформации элементов из СПФ.
Недостатком конструкции является невозможность дистанционного контроля открытия/закрытия клапана в связи с отсутствием нагревательных элементов, таким образом данный клапан работает только за счет изменения температуры окружающего пространства.
Известен принятый в качестве прототипа привод клапана с контролируемым эффектом памяти формы (патент ЕР 0304944), который расположен в корпусе клапана с входным и выходным отверстием для пропускания среды и включает в себя шток с заглушкой, две пружины, одна из которых (возвратная) опирается одним концом на закрепленный на штоке фланец, а другим - на стопорную, закрепленную на штоке гайку, а другая пружина, соосная первой и являющаяся, по сути, исполнительным элементом, опирается на обратную сторону фланца и накидную крышку и выполнена из СПФ. Шток выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении под действием термически деформируемого исполнительного элемента, выполненного в виде сжимающейся пружины или набора соосно расположенных дисковых шайб из сплава с ЭПФ с различными или одинаковыми температурами фазовых превращений. Концентрично исполнительному элементу из СПФ на заплечике в корпусе установлен резистивный нагреватель в виде кольцевой катушки, закрываемой сверху накидной гайкой-крышкой.
Принцип работы привода клапана заключается в нагреве исполнительного элемента из СПФ с помощью резистивного нагревателя, работающего от источника напряжения, или в сочетании с нагревом или охлаждением, обеспечиваемым проходящим потоком среды из входного отверстия, при этом исполнительный элемент из СПФ деформируется с увеличением расстояния между первой и последней шайбой и перекрытием прохода среды с помощью связанного через шток затвора. Возврат штока в исходное положение осуществляется с помощью дополнительной растягивающейся пружины.
Вышеописанный привод с ЭПФ сконструирован с возможностью контроля передаваемого тепла с помощью резистивного нагревателя и, соответственно, исполнительного элемента из СПФ, изменяющего свою форму при изменении температуры и толкающего шток с целью открытия или закрытия клапана. Привод является цельной с корпусом клапана конструкцией, что усложняет его эксплуатацию или замену, а также использование с другими устройствами. Кроме того, в данном приводе отсутствует индикация состояния открытия или закрытия клапана, что усложняет контроль устройства при его эксплуатации.
Таким образом, техническая проблема заключается недостаточной унификации используемого привода с ЭПФ с целью применения в уже существующих конструкциях, а также невозможность отслеживания положения штока, а конкретно, открытого или закрытого состояния клапана.
Решение технической проблемы заключается в том, что исполнительный механизм привода запорной арматуры с возможностью демонтажа, включающий корпус в виде накидной гайки-крышки с внутренним резьбовым соединением и расположенной внутри концентрически относительно штока нагревательной спиралью, штоком с возможностью возвратно-поступательного движения с жестко закрепленной гайкой-втулкой, соосно которому в полости накидной гайки-крышки установлены: цилиндрическая пружина с упором на закрепленную гайку-втулку и исполнительный элемент, при этом исполнительный механизм привода содержит исполнительный элемент, выполненный в виде цилиндрического массива из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру окружности со сквозным центральным отверстием и ограниченных с двух сторон дисковыми шайбами, к гайке-втулке присоединен индикатор положения штока, а накидная гайка-крышка оснащена смотровым окошком.
Предложенная конструкция может заменить собой ручной привод клапана с положительным эффектом в качестве дистанционного управления, а также массивный и габаритный мотор-редуктор с положительным эффектом в качестве миниатюризации конечного изделия. Таким образом, технический результат полезной модели заключается в унификации привода запорной арматуры с возможностью его демонтажа и обеспечение дистанционного температурного контроля устройства с индикацией состояния открытия или закрытия клапана.
Для пояснения сущности заявляемой полезной модели используются чертежи: На фиг. 1 представлена ЗЭ-модель исполнительного механизма из сплава с эффектом памяти формы в разрезе, где 1 - цилиндрическая пружина; 2 - гайка-втулка; 3 - элемент из сплава с эффектом памяти формы; 4 - нагревательная спираль; 5 - керамическая втулка; 6 - накидная гайка-крышка; 7 - индикатор; 8 - смотровое окошко; 9 - шток.
На фиг. 2 представлена 3D-модель исполнительного механизма из сплава с эффектом памяти формы в изометрии.
На фиг. 3 представлена 3D-модель исполнительного элемента из сплава с эффектом памяти формы.
На фиг. 4 представлена 3D-модель накидной гайки-крышки со смотровым индикаторным окошком.
Исполнительный механизм привода запорной арматуры состоит из цилиндрической пружины 1, гайки-втулки 2 и исполнительного элемента 3, заключенных в корпусе накидной гайки-крышки 6, оснащенной индикаторной пластиной 7 и смотровым окошком 8. Цилиндрическая пружина 1 опирается на гайку-втулку 2, которая жестко закреплена со штоком 9 и надета на исполнительный элемент 3, выполненный из СПФ. Исполнительный элемент 5 представлен в виде цилиндрического массива из ячеек по типу двухзаходной пружины равного диаметра, расположенных по периметру окружности со сквозным центральным отверстием и ограниченных с двух сторон дисковыми шайбами, и окружен нагревательной спиралью 4, подключенной к источнику напряжения через керамическую втулку 5.
Предпочтительным вариантом применения заявляемого привода является его использование в сильфонном клапане запорной арматуры.
В исходном состоянии сильфонный клапан с установленным заявляемым приводом нормально закрытый. При этом цилиндрическая пружина 1 находится в свободном (расслабленном) состоянии, однако исполнительный элемент из СПФ 3 находится в деформированном состоянии, при котором активирован ЭПФ, а именно произошло мартенситное превращение в двойникованный мартенсит.При подаче электрического тока на нагревательную спираль 4, исполнительный элемент из СПФ 3 нагревается и, при достижении температуры начала мартенситных превращений начинают развиваться реактивные напряжения и исполнительный элемент из СПФ возвращается в свое исходное состояние. В процессе восстановления формы исполнительный элемент из СПФ давит на гайку-втулку 2, которая в свою очередь начинает сжимать цилиндрическую пружину 1 и, в связи с тем, что жестко соединена со штоком, начинает поднимать его. Индикатор 7 показывает текущее положение штока. Шток находится в поднятом состоянии до тех пор, пока подводится питание на нагревательную спираль 4. Когда питание снимают, исполнительный элемент из СПФ 3 начинает остывать и происходит мартенситное превращение, вследствие чего реактивные напряжения уменьшаются и сходят на нет. Под действием упругих сил цилиндрической пружины 1, шток приводится в движение и опускается, тем самым закрывая клапан для протекания рабочей среды через него, одновременно с этим исполнительный элемент из СПФ 3 начинает деформироваться, тем самым активируясь для последующего цикла работы исполнительного механизма привода сильфонного запорного клапана.
Исполнительный элемент с эффектом памяти формы предпочтительно может быть изготовлен посредством аддитивного производства. Единичные ячейки, распределенные по круговому массиву и по высоте, образуют требуемую сетчатую конструкцию, обеспечивающую равномерное распределение реактивных напряжений по площади верхней шайбы. В охлажденном состоянии СПФ проявляет высокую эластичность, благодаря чему возможно обеспечить легкий возврат исполнительного элемента из СПФ в исходное положение.
Датчик положения штока предпочтительно представляет собой индикаторную пластину, закрепленную на гайке-втулке и установленную напротив смотрового окошка накидной гайки-крышки. Верхнее положение индикатора в смотровом окошке соответствует открытому клапану, нижнее - закрытому клапану.
Нагрев элементов из СПФ может быть как с прямым подводом тепла путем пропускания тока, так и с косвенным, включая резистивный или индуктивный нагрев, управляемый дистанционно подачей тока от источника напряжения.