КРАН ШАРОВОЙ РАЗГРУЖЕННЫЙ

Полезная модель относится к общему машиностроению, в частности к кранам с поворотными пробками, имеющими сферическую поверхность, и предназначена для перекрытия рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу.
Известны краны шаровые с ослаблением поджима колец при повороте пробки. В них между корпусом и уплотнительными кольцами расположены специальные распорные надувные кольца, соединенные с полостью высокого давления трубопровода. Упругие надувные кольца расширяются и создают на уплотнительных поверхностях удельные давления, необходимые для герметизации затвора. Перед поворотом пробки давление из колец автоматически сбрасывается узлом управления. При этом толщина указанных колец в направлении оси трубопровода уменьшается, сила, распирающая пробку и кольца, резко падает и образует зазор между пробкой и уплотнительными кольцами. После этого срабатывает привод и поворачивает пробку при значительно уменьшившемся моменте трения. После поворота пробки через узел управления снова подается давление в надувные кольца. В этой конструкции исключается износ уплотнительных колец (Краны для трубопроводов. Жунев П.А. Москва, «Машиностроение», 1967, стр. 35).
Недостатками данных кранов шаровых являются конструктивная сложность из-за наличия лишней, по сравнению с другими типами шаровых кранов, системы подачи давления в специальные распорные надувные кольца, а также недостаточно высокая надежность самих надувных колец. Они могут изготавливаться из мягкой кислотостойкой стали, имеющей достаточные упругие свойства, но даже стальные кольца из-за малой толщины стенки и пульсирующего характера нагрузки не могут обеспечить высокой надежности работы в эксплуатационных условиях.
Известна конструкция крана шарового, в котором проблема надежности работы распорного элемента решена. В нем надувные кольца заменены кольцевыми поршнями, с каждой стороны которых может подаваться давление от блока управления. В закрытом положении прижатие уплотнительных поверхностей обеспечивается также пружинами. Перед открыванием крана поршни отжимаются, что позволяет пробке свободно поворачиваться в подшипниках без трения и износа уплотнительных элементов затвора (Краны для трубопроводов. Жунев П.А. Москва, «Машиностроение», 1967, стр. 35-36).
Но и в этой конструкции крана сохраняется недостаток предыдущей конструкции - сложность системы управления. Кроме того, неполадки в системе управления могут сделать кран неуправляемым, так как привод крана шарового не рассчитан на поворот пробки с прижатыми кольцами.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является кран шаровой, содержащий корпус с двумя седлами, образующими клиновое гнездо запорного органа, выполненного в виде поворотной шаровой пробки плавающего типа со сквозным отверстием для прохода рабочей среды, уплотнительные кольца, шток, соединенный с шаровой пробкой и приводом поворота пробки, снабженный корзиной, установленной в корпусе, и приводом подъема запорного органа, шаровая пробка и уплотнительные кольца размещены в полости корзины, корзина соединена со штоком, взаимодействующим с приводом подъема запорного органа, обеспечивающим ее вертикальное перемещение по направляющим, выполненным в корпусе, шток соединен с корзиной шарнирно, уплотнительные кольца охватывают шаровую пробку и закреплены в корзине с помощью резьбовых элементов. Кроме того, в нижней части шарового крана в зазоре между шаровой пробкой и корзиной установлен фиксирующий элемент, снабженный выступами, взаимодействующими с ответными пазами, выполненными в шаровой пробке и в корпусе (Свидетельство Российской Федерации на полезную модель №2476745, 2011 г., по кл. МПК F16K 5/06).
В данной конструкции снижение усилия на контактные поверхности уплотнительных колец в момент открытия крана шарового происходит за счет предварительного подъема запорного органа, что позволяет выравнивать давление во входном и выходном патрубках крана шарового, и поворот пробки происходит с существенно меньшим моментом трения между уплотнительными кольцами и запорным органом, что снижает их износ и крутящий момент на приводе, то есть усилие, необходимое для закрывания и открывания крана шарового (Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. Гуревич Д.Ф. Москва, «Машиностроение», 1964, стр. 467-473).
Как известно кран шаровой с плавающей пробкой имеет два основных способа работы (Краны для трубопроводов. Жунев П.А. Москва, «Машиностроение», 1967, стр. 86-87):
1) односторонне уплотнение без предварительной затяжки уплотнительных колец;
2) с предварительной затяжкой уплотнительных колец.
Для работы крана шарового без предварительной затяжки уплотнительных колец и с затяжкой меньше, чем половина усилия равнодействующей давления среды, крутящий момент на приводе определяется перепадом давления рабочей среды на пробке. Вследствие чего, в прототипе действительно поворот шаровой пробки происходит с существенно меньшим моментом трения между уплотнительными кольцами и запорным органом, что снижает их износ и крутящий момент на приводе, за счет предварительного подъема запорного органа, что позволяет выровнять давление во входном и выходном патрубках крана шарового. Но если предварительная затяжка уплотнительных колец больше половины усилия равнодействующей давления среды, то удельное давление на обоих кольцах больше нуля. В этом случае давление рабочей среды приводит только к перераспределению удельных давлений на кольцах, не меняя их суммарной величины, как следствие крутящий момент на приводе определяется усилием затяжки, которая происходит на стадии сборки корзины, при обжатии уплотнительных колец и шаровой пробки с помощью резьбовых элементов при сборке крана шарового. И как следствие положительный результат - снижение износа уплотнительных поверхностей и крутящего момента на приводе, не достигается.
Недостатком прототипа также является наличие дополнительного привода предназначенного для подъема запорного органа, что существенно усложняет конструкцию, увеличивает габариты крана шарового, делает ее менее надежной и менее удобной, так как при открытии-закрытии крана шарового необходимо управлять двумя приводами. Также существенным недостатком прототипа является нахождения большого количества деталей (кроме корпуса, шаровой пробки, штока, крышки, уплотнительных седел) в рабочей среде - корзина, резьбовые элементы, направляющие, промежуточный элемент, фиксирующий элемент, что при использовании крана шарового для агрессивных сред приведет к быстрому выходу из строя деталей, к заклиниванию конструкции и необходимости частых ремонтов и замене деталей.
Задачей полезной модели является создание конструкции крана шарового разгруженного позволяющей: уменьшить крутящий момент на приводе; увеличить ресурс работы крана шарового разгруженного; обеспечить необходимую степень герметичности крана шарового разгруженного при использовании его для различных рабочих сред, различных рабочих параметров, а так же при износе уплотнительных поверхностей уплотнительных седел и пробки; повысить удобство управления краном шаровым разгруженным; повысить надежность крана шарового разгруженного; уменьшить гидравлическое сопротивления крана шарового разгруженного; снизить внешние габариты крана шарового разгруженного.
Технический результат достигается за счет того, что кран шаровой разгруженный, содержащий корпус с двумя соосно расположенными патрубками, образующими входное и выходное отверстия, на торцах которых, обращенных друг к другу, выполнены уплотнительные поверхности, образующие клиновое гнездо, на которые установлены уплотнительные седла, пробку, выполненную за одно целое с полуосями - верхней и нижней, имеющей сквозное отверстие для прохода среды и крышку, установленную на верхнюю часть корпуса, образующую верхний разъем, дополнительно снабжен механизмом подъема пробки и уплотнительных седел, состоящим из приводной втулки, которая передает крутящий момент от привода к пробке через верхнюю полуось и ограничивает подъем пробки с уплотнительными седлами в верхнем положении, шпонки, установленной на верхней полуоси пробки, ограничителя, представляющего собой втулку, в стенке которой выполнены секторный вырез с центральным углом 90 градусов, высотой большей высоты шпонки, и шпоночный паз, шириной равный ширине шпонки, которые объединены таким образом, что одна из боковых поверхностей шпоночного паза совпадает с боковой поверхностью секторного выреза, и шпоночный паз обращен в сторону секторного выреза, при этом в закрытом положении, между шпонкой и ограничителем имеется зазор в направлении опускания пробки, подъем и опускание которой, вместе с уплотнительными седлами осуществляется при движении шпонки в шпоночном пазе, а поворот на открытие и закрытие осуществляется при движении шпонки в секторном вырезе, при этом в сквозном отверстии пробки выполнены две конические расточки, оси которых расположены под углом к оси сквозного отверстия, и управление краном - открытие и закрытие. Полезная модель поясняется чертежами:
на фиг. 1 изображен продольный разрез крана шарового разгруженного в положении «закрыто»;
на фиг. 2 - вид А фиг. 1;
на фиг. 3 - аксонометрическая проекция ограничителя с верхней полуосью, пробкой и шпонкой;
на фиг. 4 - продольный разрез крана шарового разгруженного в положении «открыто», где:
1 - корпус, 2 - входной патрубок, 3 - пробка, 4 - уплотнительные седла, 5 - привод, 6 - ограничитель, 7 - приводная втулка, 8 - подшипник, 9 - подшипник, 10 - стойка, 11 - крышка, 12 - нижняя полуось, 13 - верхняя полуось, 14 - шпонка, 15, 16 - боковые поверхности секторного выреза, 17 и 18 - боковые поверхности шпонки, 19 - нижняя поверхность секторного выреза, 20 - нижняя поверхность шпонки, 21 - торец верхней полуоси, 22 - поверхность приводной втулки, 23 - поверхность шпоночного паза, 24 - выходной патрубок, α - угол между осями конических расточек и сквозного отверстия в пробке, β - зазор между шпонкой и ограничителем в закрытом положении в направлении опускания пробки.
Кран шаровой разгруженный состоит из корпуса 1 двумя соосно расположенными входным 2 и выходным 24 патрубками, образующими входное и выходное отверстия, на торцах которых, обращенных друг к другу, выполнены уплотнительные поверхности, образующие клиновое гнездо, на которые установлены уплотнительные седла 4, пробки 3, выполненной за одно целое с верхней полуосью 13 и нижней полуосью 12, со сквозным отверстием для прохода среды и крышки 11, установленной на верхнюю часть корпуса 1, образующую верхний разъем. Кран шаровой разгруженный дополнительно снабжен механизмом подъема пробки 3 и уплотнительных колец 4, состоящий из приводной втулки 7, которая передает крутящий момент от привода 5 к пробке 3 через верхнюю полуось 13 и ограничивает подъем пробки 3 с уплотнительными седлами 4 в верхнем положении, шпонки 14, установленной на верхней полуоси 13, ограничителя 6, представляющего собой втулку, в стенке которой выполнены секторный вырез с центральным углом 90 градусов, высотой большей высоты шпонки 14, и шпоночный паз, шириной равной ширине шпонки 14, которые объединены таким образом, что образуют общую поверхность и шпоночный паз обращен в сторону секторного выреза, при этом в закрытом положении между шпонкой 14 и ограничителем 6 имеется зазор β в направлении опускания пробки 3. Подъем, опускание пробки 3 и уплотнительных колец 4, осуществляется при движении шпонки 14 в шпоночном пазе, а поворот на открытие и закрытие осуществляется при движении шпонки 14 в секторном вырезе. В сквозном отверстии пробки 3, выполнены две конические расточки, оси которых расположены под углом α к оси сквозного отверстия. Управление краном шаровым разгруженным - открытие и закрытие, подъем и опускание пробки 3, осуществляется от привода 5.
Кран шаровой разгруженный работает следующим образом.
В положении «открыто» сквозное отверстие пробки 3 совпадает с проходными отверстиями входного патрубка 2 и выходного патрубка 24 и рабочая среда свободно проходит через кран шаровой разгруженный. Причем конические расточки, выполненные в пробке 3, обеспечивают плавный переход рабочей среды из входного патрубка 2 в сквозное отверстие пробки 3 и последующий плавный выход из него в выходной патрубок 24, что снижает гидравлическое сопротивление крана шарового разгруженного. Шпонка 14 находится в секторном вырезе ограничителя 6, упираясь своей боковой поверхностью 17 в боковую поверхность секторного выреза 15. Пробка 3 торцом верхней полуоси 21 уперта в поверхность 22 приводной втулки 7. При этом уплотнительные седла 4 свободны и вместе с пробкой 3 они находятся в верхнем положении.
Для закрытия кран шарового разгруженного, от привода 5 на приводную втулки 7 подается крутящий момент. Так как шпонка 14 нижней поверхностью шпонки 20 уперта в нижнюю поверхность секторного выреза 19 ограничителя 6, пробка 3 проворачивается вместе с приводной втулкой 7 до тех пор, пока шпонка 14 боковой поверхностью 18 не упрется в боковую поверхность секторного выреза 16. При этом при закрытии происходит бесконтактный поворот пробки 3 относительно уплотнительных седел 4, за счет того, что уплотнительные седла 4 свободны в верхнем положении и давление во входном патрубке 2 и выходном патрубке 24 выравнено. При дальнейшем вращении приводной втулки 7 приводом 5, пробка 3 вместе с уплотнительными седлами 4 начинает движение вниз, до тех пор, пока на уплотнительных поверхностях уплотнительных седел 4 не образуется удельное давление необходимое для герметизации крана, необходимое для данной рабочей среды и для данных рабочих параметров. При этом в закрытом положении, между шпонкой 14 и ограничителем 6 имеется зазор β в направлении опускания пробки 3, который позволяет при использовании крана шарового разгруженного для разных рабочих сред и на разные рабочие параметры, а также при износе уплотнительных поверхностей уплотнительных седел 4 и пробки 3 обеспечить необходимое удельное давление между уплотнительными поверхностями уплотнительных седел 4 и пробки 3, путем дополнительного опускания пробки 3 и уплотнительных седел 4.
Открытие происходит следующим образом. От привода 5 на приводную втулку 7 подается крутящий момент. Так как шпонка 14 боковой поверхностью 17 уперта в поверхность шпоночного паза 23, пробка 3 зафиксирована от поворота, происходит подъем пробки 3 вместе с уплотнительными седлами 4. При касании пробки 3 торцом верхней полуоси 21 в поверхность приводной втулки 22 она оказывается в верхнем положении, при этом шпонка 14 уже выйдет из шпоночного паза, а уплотнительные седла 4 свободны, после чего происходит бесконтактный поворот пробки 3 относительно уплотнительных седел 4 на открытие, что уменьшает необходимый управляющий момент на приводе 5. Пробка 3 поворачивается до тех пор пока шпонка 14 боковой поверхностью 17 не упрется в боковую поверхность секторного выреза 15 ограничителя 6
Предложенная конструкция крана шарового разгруженного позволяет: уменьшить крутящий момент на приводе, путем обеспечения бесконтактного поворота пробки относительно уплотнительных седел и выравнивания давления во входном и выходном патрубках после поднятия пробки при открытии, и обеспечения бесконтактного поворота пробки относительно уплотнительных седел и выравненном давлении во входном и выходном патрубках, перед опусканием пробки при закрытии, что приводит к уменьшению износа уплотнительных поверхностей уплотнительных седел и пробки и к увеличению их ресурса и работы крана шарового разгруженного в целом; имеющийся зазор β между шпонкой и ограничителем в направлении опускания пробки в ее закрытом положении, позволяет обеспечить необходимую степень герметичности между уплотнительными поверхностями уплотнительных седел и пробки для различных рабочих сред и различных рабочих параметров среды, а также при износе уплотнительных поверхностей уплотнительных седел и пробки, путем возможности дополнительного опускания пробки и уплотнительных седел. В предложенной конструкции для обеспечения подъема и поворота пробки и уплотнительных седел используется один привод, что повышает удобство управления краном шаровым разгруженным, повышает его надежность и снижает габариты. Также в конструкции крана шарового разгруженного используется пробка с выполненными двумя коническими расточками расточка, оси которых расположены под углом к оси сквозного отверстия, которые обеспечивают плавный переход из входного патрубка в сквозное отверстие пробки и последующий плавных выход из него в выходной патрубок, что снижает гидравлическое сопротивление крана шарового разгруженного.