СПОСОБ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
OPERATION PROCEDURE AND DESIGN OF ELECTRO-MAGNET VALVE OF HIGH PRESSURE

Предлагаемое изобретение относится к области арматуростроения.
Известен электромагнитный клапан (а.с. №568778, кл. F16К 31/02, заявлено 19.04.1976 г.), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, кожух, в котором расположены катушки, корпус электромагнита.
В верхней части кожуха установлен магнит. Якорь электромагнитного привода посредством штока соединен с запорным органом. В корпусе клапана между пружиной и корпусом электромагнита установлена втулка, выполненная из немагнитного материала с низким коэффициентом трения, например из фторопласта.
Недостаток аналога заключается в том, что его конструкция включает последовательно соединенные цилиндрический якорь электромагнитного привода, опорный диск, шток и запорный орган. Каждый из перечисленных элементов занимает свой габаритный размер в последовательной цепочке их расположения, что приводит к увеличению продольного размера корпуса электромагнита, к нерациональному расположению для электромагнитного взаимодействия поверхностей корпуса и якоря. К тому же внутренняя поверхность корпуса неоправданно увеличена по отношению к поверхности якоря. Как следствие этого, аналог обладает неудовлетворительными габаритно-массовыми характеристиками..
Известен также электромагнитный клапан (патент №2190142, кл. F16К 31/02, приоритет от 03.07.2000) с входом и выходом для топлива, в корпусе которого размещены соединенный штоком с наружным пружиной запорным органом цилиндрический якорь электоромагнита, катушка электромагнита в кожухе. С целью повышения надежности один конец корпуса выполнен в виде трубы с внутренней резьбой с установленным в ней седлом, торцевая поверхность которого установлена на уровне входа, а другой конец корпуса снабжен крышкой, в осевой части которого установлен винтовой ограничитель хода якоря, а запорный якорь выполнен в виде шара, взаимодействующего с коническим ограничителем штока со стороны якоря; торцевые поверхности корпуса снабжены герметизирующей пленкой, например, клеевой.
Недостаток указанного аналога заключается в том, что конструкция его выполнена с последовательным соединением штока, коническим ограничителем запорного органа и самого шарового запорного органа в отдельной части корпуса, что ухудшает габаритно-массовые характеристики электромагнитного клапана. Кроме того, указанная конструкция увеличивает рассеивание магнитного поля корпуса и тем самым ослабляет силу притяжения якоря, что приводит к дополнительному ухудшению габаритно-массовых характеристик устройства.
В качестве прототипа выбран электромагнитный клапан (патент России №2257502, М.кл. F16К 31/02, приоритет от 05.09.2003), включающий корпус, выполненный с входным центральным патрубком и проходным каналом для рабочего тела, с размещенными внутри него якорем электромагнита, пружиной, запорным органом, взаимодействующим с седлом перед выходным патрубком рабочего тела, катушку электромагнита в кожухе, кольцо и втулку, выполненные из немагнитного материала, внутренняя поверхность корпуса со стороны одного торца выполнена в виде поверхности усеченного конуса, разделенной на две части кольцом и с возможностью ее сопряжения с поверхностью якоря, выполненного в виде усеченного конуса с проходными каналами для рабочего тела и цилиндрическим направляющим выступом на его вершине, расположенным во втулке, выполненной подпружиненной с торца, противоположного относительно конической части якоря, запорный орган выполнен в центральной части основания якоря в виде цилиндрической шайбы, седло выполнено в виде выступа вновь введенной крышки корпуса, с обратной стороны которой выполнен выходной патрубок рабочего тела; конусная поверхность корпуса разделена кольцом на равные площади.
Недостаток прототипа заключается в том, что взаимодействие запорного органа с седлом в момент начала открытия осуществляется с преодолением усилия их прилипания под действием не только пружины, но и дополнительно высокого давления на якорь с запорным органом при отделении рабочих поверхностей усилием, перпендикулярным плоскости сопряжения рабочих поверхностей, что приводит к применению более мощного электромагнита с увеличенными энергопотреблением и габаритно-массовыми характеристиками.
Задача предлагаемого решения - уменьшение потребляемой мощности, массы и габаритов электромагнитного клапана высокого давления.
Задача решена за счет того, что воздействие на запорный элемент центральной частью перемещающегося якоря при его отжимании осуществляют с выполнением наклона продольной оси запорного элемента с центром его поворота в зоне седла, причем начало воздействия осуществляют ударом; запорный орган по периметру торца с обратной стороны относительно седла выполнен с цилиндрическим выступом, которым он удерживается с люфтом в продольном и поперечном направлениях на торце якоря посредством накидной гайки, выполненной с наружной резьбой, причем плоскость торца цилиндрического выступа со стороны седла выполнена под острым углом к ортогональной плоскости к продольной оси запорного элемента, а продольный люфт между накидной гайкой и ближайшей точкой цилиндрического выступа выполнен (0,1±0,02) мм при закрытом положении седла; поверхности взаимодействия запорного элемента и гнезда выполнены в виде усеченных конических поверхностей; запорный элемент выполнен из фторопласта, например, марки 40П.
Суть технического решения заключается в том, что воздействие на запорный орган центральной частью перемещающегося якоря при его отжимании осуществляют с выполнением наклона продольной оси запорного органа с центром его поворота в зоне седла, причем начало воздействия осуществляют ударом; запорный орган по периметру торца с обратной стороны относительно седла выполнен с цилиндрическим выступом, которым он удерживается с люфтом в продольном и поперечном направлениях на торце якоря посредством накидной гайки, выполненной с наружной резьбой, причем плоскость торца цилиндрического выступа со стороны седла выполнена под острым углом к ортогональной плоскости к продольной оси запорного элемента, а продольный люфт между накидной гайкой и ближайшей точкой цилиндрического выступа выполнен (0,1±0,02) мм при закрытом положении седла. Это позволило обеспечить уменьшение потребляемой мощности, массы и габаритов электромагнитного клапана высокого давления.
Предложенный электромагнитный клапан высокого давления иллюстрируется на фиг.1 и 2, на которых он показан соответственно в момент начала открытия и при закрытом положении. Электромагнитный клапан высокого давления, содержащий корпус 1, выполненный с входным центральным патрубком 2 и проходным каналом 3 для рабочего тела и с внутренней поверхностью 4 со стороны одного торца, выполненной в виде поверхности усеченного конуса, разделенной на две части кольцом 5, выполненным из немагнитного материала, и с возможностью ее сопряжения с поверхностью 6 якоря 7 электромагнита, выполненного в виде усеченного конуса с проходными каналами 8 для рабочего тела и цилиндрическим направляющим выступом 9 на его вершине, расположенным во втулке 10, выполненной из немагнитного материала, и пружиной 11 с торца, противоположного относительно конической части якоря 7, с запорным органом 12 цилиндрического типа, установленным в центральной части основания 13 якоря 7 электромагнита и выполненным по периметру торца с обратной стороны относительно седла 14 с цилиндрическим выступом 15, которым он удерживается с люфтом в продольном и поперечном направлениях посредством накидной гайки 16, выполненной с наружной резьбой, причем плоскость 17 торца цилиндрического выступа 15 со стороны седла 14 выполнена под острым углом (α) к ортогональной плоскости к продольной оси запорного органа 12, седло 14 выполнено в центральной части крышки 18 корпуса 1, с обратной стороны которой выполнен выходной патрубок 19 рабочего тела, катушку 20 электромагнита в кожухе 21.
Поверхности взаимодействия запорного органа 12 и седла 14 выполнены в виде усеченных конических поверхностей, причем запорный орган 12 выполнен из фторопласта, например, марки 40П.
Предложенный электромагнитный клапан высокого давления работает следующим образом. При подаче напряжения на катушку 20 электромагнита якорь 7 в начальный момент времени перемещения в сторону входного патрубка 2, преодолевая только усилие пружины 11, ускоряется на участке зазора (0,1±0,02) мм между поверхностью накидной гайки 16 и ближайшей точкой цилиндрического выступа 15, и с ударом воздействует накидной гайкой 16 на ближайшую к нему точку плоскости 17 торца цилиндрического выступа 15, и наклоняет запорный орган 12 относительно его продольной оси с центром вращения в седле 14, и открывает седло 14. Рабочее тело под высоким давлением устремляется в открытое седло 14 и за счет уменьшения перепада давления создает дополнительное усилие, способствующее дальнейшему открытию запорного органа 12, что облегчает усилие якоря 7 преодолевать действие пружины 11 и тем самым уменьшить мощность, массу и габариты электромагнита при неизменном максимальном давлении рабочей среды. За счет ударного воздействия накидной гайки 16 на цилиндрический выступ 15 и запорный орган 12 в целом как на рычаг с поворотом его в центре седла 14 его открытие осуществляется со значительно меньшим усилием со стороны якоря 7. Это позволило уменьшить мощность, а значит и массу, и габариты применяемого электромагнита, улучшить указанные характеристики предложенного устройства в целом.
После снятия напряжения электропитания с катушки 20 электромагнита якорь 7 под действием пружины 11 перемещается в сторону выходного патрубка 19 и за счет воздействия на цилиндрический выступ 15 и закрывает запорным органом 12 седло 14, прекращая движение рабочего тела в выходной патрубок 19.
По данным проведенных экспериментальных исследований опытного образца в предложенном решении достигнуто уменьшение усилия электромагнита для открытия клапана примерно в 2 раза с соответствующим улучшением габаритно-массовых и энергетических характеристик электромагнитного клапана высокого давления. В настоящее время ведутся работы по внедрению электромагнитного клапана в производство.
В известных авторам источниках технической и патентной информации не обнаружены признаки технических решений, аналогичные отличительным признакам заявленного решения.