ГАЗОСТАТ
GASOSTAT

Изобретение относится к области порошковой металлургии, непосредственно к промышленному оборудованию для обработки крупногабаритных изделий из сплошных или дискретных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 200 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата. Основными компонентами газостата являются: собственно газостат, содержащий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину; газовая и вакуумная системы, создающие технологически необходимое давление в рабочей камере; система нагрева; системы охлаждения и управления. Производительность газостата в значительной степени зависит от производительности его главной - газовой системы, на которую, в свою очередь, влияет величина условного прохода газовой аппаратуры и газового трубопровода, по которым в процессе выполнения технологических операций перемещается рабочая среда.
Аналогом изобретения является техническая документация на узлы фирмы HOFER в газостате марки QIH-250, ASEA, Швеция, 1983 г., содержащий контейнер, связанный с газовой системой, включающей клапаны управления и выпуска, выполненные с седлом, иглой, подклапанной и надклапанной полостями, прижимной пружиной и сервоприводом.
К недостаткам газостата-аналога следует отнести значительные габариты и металлоемкость запорных газовых клапанов управления и выпуска при больших условных проходах, а также невозможность унифицировать их конструкцию.
Прототипом заявляемого изобретения является газостат, описанный в авторском свидетельстве №1748940. Газостат-прототип содержит контейнер, закрытый по торцам пробками с герметизирующими уплотнениями. В верхней и нижней пробках выполнены газовые вводы, соединенные через систему газовых запорных клапанов с источником давления (компрессором), баллонной станцией, контрольно-измерительной аппаратурой и атмосферой. Для выполнения технологических операции газовая система оснащена унифицированными нормально-закрытыми клапанами с увеличенным условным проходом (Ду 15).
На чертеже представлен клапан газостата-прототипа с цилиндром разгрузки.
Клапан содержит корпус 1, в котором расположены седло 2, игла 3 и блок ее уплотнений 4. Клапан оснащен газовым цилиндром 5, шток 6 которого через шток 7 пневматического сервопривода 8 опирается на иглу клапана 4. На поршень 9 сервопривода действуют прижимные пружины 10, расположенные на периферии поршня 9 за пределом наружного диаметра цилиндра 5. Газовая полость 11 цилиндра 5, герметизированная по штоку 6 блоком уплотнений 12, соединена с подклапанной полостью 13, при этом газовый цилиндр 5 установлен на верхнем фланце 14 сервопривода 8, располагаясь над ним вертикально вверх. Фланец 14 связан с пневмоцилиндром 15 сервопривода 8 шпильками 16. Несмотря на то, что применение газового цилиндра разгрузки в конструкции клапана газостата-прототипа позволило значительно уменьшить его габариты и металлоемкость по сравнению с аналогичными параметрами клапана газостата-аналога, недостатком клапана газостата-прототипа является то, что его диаметральный размер определяется расположением прижимных пружин на периферии поршня 9 сервопривода 8 за пределом наружного диаметра цилиндра 5 и далее шпилек 16. В общую высоту клапана входит высота газового цилиндра 5, установленного над фланцем 14. Металлоемкость и стоимость клапана зависят от его габаритов. Другим недостатком клапана является невозможность удаления блока обжатых давлением рабочей среды уплотнений 12 из цилиндра 5 в неповрежденном состоянии и их повторного использования. К недостаткам конструкции клапана следует также отнести значительные усилия, необходимые для перемещения иглы 3 и штока 6, возникающие при затяжке блоков уплотнений 4 и 12 на максимальное рабочее давление клапана (до 200 МПа).
Задачей предлагаемого изобретения является устранение упомянутых недостатков и использование новых конструктивных решений при создании надежного, производительного промышленного газостата с большим объемом рабочей камеры для обработки крупногабаритных изделий.
Достигаемый при этом технический эффект: унификация, уменьшение габаритов и металлоемкости запорных клапанов газовой системы газостата; создание условий извлечения блоков уплотнений штока цилиндра разгрузки и иглы клапана с возможностью их многократного использования; снижение усилия трения в блоках уплотнений иглы и штока цилиндра разгрузки; обеспечение надежной внутренней герметичности клапанов и контейнера, повышение производительности и улучшение условий эксплуатации газостата.
Выполнение поставленной задачи и получаемый при этом технический эффект обеспечиваются тем, что в предлагаемой конструкции унифицированного запорного клапана газовой системы газостата цилиндр разгрузки установлен внутри одной прижимной пружины малой жесткости, бльшая часть которого располагается в пределах ее высоты, и направлен в сторону поршня сервопривода; в качестве сервопривода использован гидравлический цилиндр с давлением управления до 10 МПа, что позволяет в несколько раз уменьшить диаметр гидроцилиндра по сравнению с диаметром пневмоцилиндра, при использовании максимальной величины давления управления, равного 1 МПа, извлечение блока уплотнений штока цилиндра разгрузки и иглы клапана без и разрушения его элементов с возможностью их повторного использования обеспечивается специальными бородками, выполненными на концах штока и иглы; сила трения в блоках уплотнений штока и иглы снижена за счет применения самоуплотняющегося блока, в котором подвижный элемент (шток или игла) контактирует только с одним элементом блока, изготовленным из фторопласта, обладающего низким коэффициентом трения; надежное закрытие - внутренняя герметичность клапана создается дополнительным усилием, передаваемым штоком цилиндра разгрузки на иглу (помимо усилия пружины), возникающим в результате того, что диаметр штока цилиндра разгрузки больше диаметра подклапанной полости, запираемой иглой; внутренняя герметичность контейнера во время многочасовой выдержки заготовки при заданных давлении и температуре обеспечивается тем, что контейнер соединен с подклапанными полостями клапанов, отсекающих его рабочее пространство от других компонентов газовой системы, исключая, таким образом, работу блоков уплотнений игл этих клапанов и прижатием иглы к седлу, выполненному непосредственно в корпусе клапана, дополнительным усилием штока газового цилиндра.
Конструкция газостата поясняется следующими чертежами, где
Фиг.1 - клапан газостата-прототипа с цилиндром разгрузки (справочно);
Фиг.2 - промышленный газостат с фрагментом газовой системы;
Фиг.3 - унифицированный газовый запорный клапан с увеличенным условным проходом.
Газостат (фиг.2) содержит силовую станину 17, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 18, контейнер 19, закрытый по торцам верхней 20 и нижней 21 пробками, запорные газовые клапаны 22-25, газовый компрессор 26 и баллонную станцию 27. Для управления потоками газа при выполнении технологических операций используются унифицированные нормально-закрытые клапаны (фиг.3) с увеличенным условным проходом Dy. Клапан содержит корпус 28, расточки подклапанной 29 и надклапанной полостей 30 образующих острую кромку 31 седла, на которую опирается игла 32 в закрытом состоянии клапана. Для уменьшения трения иглы в блоке уплотнений использована самоуплотняющаяся конструкция, содержащая втулку Г-образного сечения 33, резиновое кольцо 34, опорные 35 и нажимное кольца 36. Неподвижная поверхность расточки корпуса герметизируется наружным диаметром кольца 34 и втулки 33. Подвижная поверхность иглы 32 уплотняется по внутренней поверхности втулки 33, имеющей ус 37 - единственный элемент блока уплотнений, контактирующий со стерженем иглы. В металлических втулках 35 и 36 игла 32 установлена с зазором. Втулка 33 изготовлена из фторопласта - материала с низким коэффициентом трения, позволяющим снизить усилие трения между иглой и блоком ее уплотнений. Блок уплотнений извлекается из расточки корпуса без разрушения его элементов для повторного использования с помощью бородки 38, диаметр которой больше диаметра стержня иглы. Все сказанное о блоке уплотнений иглы в полной мере относится к условиям работы блока уплотнений штока 39 газового цилиндра 40. Для удаления блока уплотнений предусмотрена бородка 41.
Гидроцилиндр 42 сервопривода 43 соединен шпильками 44 с корпусом 28. Стакан 45 установлен на цилиндре 42 с помощью быстроразъемного байонетного замка 46. Клапан закрывается усилием пружины 47, сжатой нажимными винтами 48 и создающей на кромке 31 седла необходимые контактные давления. Усилие пружины передается на иглу 32 через поршень 49 и шток 50 гидроцилиндра 42. Газовый цилиндр разгрузки 40 установлен внутри пружины 47 в пределах ее габаритов и направлен в сторону поршня сервопривода. Подклапанная полость 29 соединена с газовым цилиндром капилляром высокого давления 51. Клапан открывается при подаче давления под поршень 49 сервопривода 43, преодолевая усилие пружины малой жесткости и усилие трения иглы 32 и штока 39 в блоках уплотнений, а также - между поршнем 49 и гидроцилиндром 42. Использование газового цилиндра 40, соединенного с подклапанной полостью 29, позволяет уравновесить систему игла 32 клапана - шток 39 цилиндра разгрузки внутренним давлением. При равенстве диаметра штока Дш и условного прохода Ду (случай газостата-прототипа) пружина обеспечивает создание только необходимых контактных давлений на острой кромке 31, а не противодействие усилию рабочей среды высокого давления, действующего на иглу в подклапанной полости 29. В предлагаемой конструкции диаметр штока 39 Дш цилиндра разгрузки больше условного прохода Ду, в этом случае игла прижимается к седлу клапана дополнительным усилием, создавая его надежное закрытие. Соотношение площадей штока 39 и расточки подклапанной полости 29 определяется с учетом жесткости и размеров пружины 47, величины рабочего давления газостата и прочностных свойств корпуса 28 и иглы 32. Увеличение усилия открытия клапана в этом случае легко компенсируется незначительным повышением величины давления управления, используемого практически в диапазоне 5-10 МПа, что не приводит к увеличению диаметра гидроцилиндра. Таким образом, предложенное конструктивное решение уменьшает габариты, металлоемкость и стоимость унифицированных запорных клапанов и газостата в целом, а также повышает надежность работы главной - газовой системы машины.
Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 18 сдвинута с оси контейнера. На нижнюю пробку 21, находящуюся вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в контейнер. Силовая станина устанавливается на оси контейнера 19. В сервопривод клапана 24 подается давление управления. Через открытый клапан 24 газ из баллонной станции 27 самотеком поступает в контейнер. После выравнивания давления в контейнере и баллонной станции клапан 24 закрывается. Затем открываются клапаны 23 и 25 и с помощью компрессора 26 давление в контейнере поднимается до заданной величины. После этого компрессор останавливается, а клапаны 23 и 25 закрываются. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение технологически необходимого времени. Далее рабочее пространство с газовой средой и заготовкой охлаждается. Открывается клапан 24 и газ самотеком перетекает из контейнера 19 в баллоны 27. Затем газ через открытый клапан 22 выпускается в баллонную станцию низкого давления (не показана) или атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 17 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 21, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него.