МЕМБРАННЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ
DIAPHRAGM ACTUATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к исполнительным механизмам регулирующих клапанов и более конкретно к мембранным исполнительным механизмам, имеющим мембрану и вал, образующие герметичное соединение.
Уровень техники
Регулирующие клапаны широко применяются в системах управления технологическими процессами. В общем случае такой клапан можно использовать для управления проточной текучей средой с целью выведения регулируемого технологического процесса на желаемый уровень, для перемещения или доставки текучей среды от источника в пункт назначения и для решения других подобных задач. В типичном варианте узел регулирующего клапана содержит корпус, вал и исполнительный механизм, обеспечивающий работу клапана (например, позиционирование затвора или компонента, регулирующего поток, внутри клапана) с передачей тягового усилия через вал.
Обычно пневматические исполнительные механизмы, использующие пружину и мембрану, определяют термином "мембранные исполнительные механизмы" и вследствие их надежности часто выбирают для применения совместно с регулирующими клапанами. Как правило, такие исполнительные механизмы имеют корпус, заключающий в себе мембрану, приводной вал и одну или несколько пружин, возвращающих указанный вал в заданное положение при отсутствии управляющего давления, приложенного к мембране. В типичной ситуации на мембранный исполнительный механизм подается переменное давление газа (например, воздуха), прикладываемое к одной стороне мембраны, чтобы переместить вал указанного механизма и тем самым открыть/закрыть регулирующий клапан или перенастроить его. Управляющее воздействие исполнительного механизма зависит от конфигурации мембраны, а также от параметров возвратных пружин, вала и пластины, обеспечивающей жесткость мембраны. Мембранным исполнительным механизмам можно придать конфигурацию, соответствующую принципу прямого действия, согласно которому повышенное управляющее давление выдвигает мембрану и вал из корпуса. В альтернативном варианте указанные механизмы могут иметь конфигурацию, соответствующую принципу обратного действия. В этом случае повышенное давление воздуха перемещает мембрану и вал исполнительного механизма в обратном направлении.
Независимо от модификации управляющего воздействия, осуществляемого в соответствии с конфигурацией мембранного исполнительного механизма, вал его, который можно также рассматривать как шток, механически присоединен или прикреплен к мембране. В типичном варианте концевой участок вала (штока) проходит через центральное отверстие мембраны, причем для зажима или какой-то другой фиксации центрального участка мембраны по отношению к валу (штоку) применяют одну или несколько механических крепежных деталей (например, кольцевых прокладок, гаек, болтов и других подобных элементов). В такой конструкции перемещения или смещения мембраны в ответ на изменения управляющего давления вызывают соответствующие перемещения или смещения вала (штока) исполнительного механизма. Чтобы иметь возможность поддерживать уровень управляющего давления на одной стороне мембраны, отверстие, через которое проходит конец вала (штока) исполнительного механизма, обычно уплотняют, чтобы предотвратить утечку по периметру вала (штока) через указанное отверстие. Однако известные технические приемы уплотнения центрального отверстия мембраны, через которое проходит вал (шток), как правило, сводятся к применению относительно сложной и дорогой конструкции кольцевых прокладок, уплотнительных колец и прочих специальных компонентов.
Раскрытие изобретения
В одном из примеров, приведенных в настоящем описании, мембрана, предназначенная для применения в мембранном исполнительном механизме, имеет центральное отверстие и расположенный по его периметру уплотнительный выступ, выполненный заодно с мембраной. При этом указанному выступу придана конфигурация, обеспечивающая его герметичное сопряжение с перемещаемым элементом мембранного исполнительного механизма.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 в сечении представляет регулирующий клапан с пружинным мембранным исполнительным механизмом, известным из уровня техники.
Фиг.2 в увеличенном масштабе и в сечении представляет участок сборки мембрана-вал исполнительного механизма, показанного на фиг.1.
Фиг.3 в сечении представляет пример регулирующего клапана с пружинным мембранным исполнительным механизмом, у которого мембрана и заплечик вала находятся в герметичном сопряжении.
Фиг.4 в увеличенном масштабе и в сечении представляет участок сборки мембрана-вал исполнительного механизма, показанного на фиг.3.
Фиг.5 в увеличенном масштабе и в сечении представляет альтернативный вариант герметичного сопряжения между мембраной и валом уплотнительного устройства, показанного на фиг.3 и 4.
Осуществление изобретения
Описанный далее вариант устройства для уплотнения контакта мембран с валами в мембранных исполнительных механизмах предназначен для замены относительно сложных и дорогих уплотнительных устройств, применявшихся во многих известных исполнительных механизмах такого типа. Один из приведенных примеров содержит мембрану, имеющую центральное отверстие, и уплотнительный выступ (например, уплотнительный буртик), расположенный по периметру данного отверстия и выполненный заодно с мембраной. Выступу придана конфигурация, обеспечивающая его герметичное сопряжение с заплечиком вала мембранного исполнительного механизма. В частности, уплотнительный выступ (например, кольцевой) может входить в сопряжение с выполненной в заплечике вала кольцевой выточкой, создавая тем самым условия для уплотнения зоны контакта мембрана-вал. Такое уплотнение не требует применения относительно сложной и дорогой конструкции с использованием дополнительных уплотнительных колец, кольцевых прокладок и других подобных деталей, традиционно используемых для обеспечения такого уплотнения.
Перед описанием упомянутого выше примера устройства для уплотнения сборки мембрана-вал исполнительного механизма приведено краткое описание известного уплотнительного устройства (см. фиг.1 и 2). На фиг.1 в сечении представлен регулирующий клапан 100 с пружинным мембранным исполнительным механизмом 101 известного типа. Как видно из данной фигуры, мембранный исполнительный механизм 101 имеет верхний корпус 102 и нижний корпус 104, соединенные друг с другом несколькими резьбовыми крепежными деталями 106, 108, которые обычным образом разнесены по наружной кромке корпусов. Между указанными корпусами 102, 104 заключена мембрана 110, разделяющая их внутренний объем на камеру 112 управляющего давления и камеру 114 атмосферного давления. Жесткую основу для мембраны 110 обеспечивает пластина 116, которая, как более подробно показано далее в связи с фиг.2, способствует установлению герметичного сопряжения между мембраной 110 и валом (штоком) 118 исполнительного механизма через уплотнительный узел 120. В добавление к сказанному, вал (шток) 118 функционально связан с валом (штоком) 122 регулирующего клапана 100 через соединительный узел 124. Между пластиной 116, обеспечивающей жесткость мембраны, и внутренней стенкой 128 верхнего корпуса 102 помещены пружины 126 сжатия, обеспечивающие принудительное отжатие или смещение мембраны 110, пластины 116 и вала 118 исполнительного механизма в сторону регулирующего клапана 100. В результате вал (шток) 122 регулирующего клапана 100 (в данном случае это двухходовой запорный клапан) смещается, закрывая клапан 100 (т.е. ограничивая или предотвращая прохождение через него потока текучей среды).
Предусмотрена возможность в процессе работы подать сигнал управляющего давления в камеру 112 через специальный канал 130, изменяя тем самым давление в ней. В то время как давление в камере 112 изменяется, давление в камере 114 посредством канала 132 поддерживается, по существу, на уровне атмосферного давления. Таким образом, когда давление в камере 112 превышает атмосферное, мембрана 110 отжимается и смещается в сторону верхнего корпуса 102, преодолевая усилия пружин 126, и тем самым оттягивает вал 118 исполнительного механизма и соответственно вал 122 регулирующего клапана 100 в сторону верхнего корпуса 102. В результате клапан 100 открывается. Наоборот, при понижении давления в камере 112 мембрана 110 смещается к нижнему корпусу 104, перемещая указанные валы 118, 122 и закрывая клапан 100. В данном случае мембранному исполнительному механизму 101 придана конфигурация, отвечающая управлению прямого действия, при котором повышенное давление стремится открыть регулирующий клапан 100. Однако вместо такого варианта можно использовать и конфигурацию обратного действия.
На фиг.2 уплотнительный узел 120 известного мембранного исполнительного механизма, показанного на фиг.1, представлен в сечении и в увеличенном масштабе. Как видно из фиг.2, мембрана 110 и обеспечивающая ее жесткость пластина 116 имеют центральные отверстия, соответственно 200 и 202, через которые проходит конец 204 вала 118 исполнительного механизма. Мембрана 110 и пластина 116 помещены между кольцевыми прокладками 206 и 208, образуя вместе с ними структуру в виде сэндвича. Указанные прокладки воспринимают и рассредоточивают (распределяют) сжимающее уплотнительное усилие, приложенное через гайку 210, которая навинчена на конец 204 вала 118 и затянута относительно кольцевой прокладки 206. Как можно видеть из фиг.2, кольцевая прокладка 208 прижата к заплечику 212 вала 118, т.е. при затягивании гайки 210 к прокладкам 206, 208, пластине 116, мембране 110 и уплотнительным кольцам 214, 216, 218 прикладывается возрастающее сжимающее усилие.
Точнее, для уплотнения отверстия 200 мембраны 110 гайку 210 затягивают, чтобы зажать уплотнительные кольца 214 и 216 между кольцевой прокладкой 208 и мембраной 110, а уплотнительное кольцо 218 - между кольцевой прокладкой 208 и заплечиком 212. Таким образом, появляется возможность перекрыть путь утечки через отверстие 200 и тем самым способствовать сохранению перепада давления между камерами 112 и 114 исполнительного механизма 101 (см. фиг.1). Однако, как следует из описания известного уплотнительного узла 120, показанного на фиг.1 и 2, для уплотнения отверстия 200 мембраны 110 используется относительно большое количество компонентов, образующих сложную конструкцию. Далее, для изготовления кольцевой прокладки 208 может потребоваться специальная методика, обеспечивающая выполнение канавки или другой выточки такого типа для введения в нее уплотнительного кольца 218, а это может существенно увеличить стоимость уплотнительного узла 120.
На фиг.3 в сечении представлен пример мембранного исполнительного механизма 300, в котором исключена необходимость использования дополнительных уплотнительных колец и других компонентов, обычно применяемых для уплотнения контакта мембрана-вал исполнительного механизма (например, в известном уплотнительном узле 120, показанном на фиг.1 и 2). Показанный на фиг.3 мембранный исполнительный механизм 300 содержит мембрану 316, заключенную между верхним и нижним корпусами 302, 304, которые соединены друг с другом несколькими резьбовыми крепежными деталями 306, 308, скрепляющими указанные корпуса по наружной кромке. Мембрана 316 разделяет верхний и нижний корпуса 302, 304 на камеру 322 атмосферного давления и камеру 324 управляющего давления. Кроме того, в верхнем корпусе 302 выполнен канал 310 для воздуха, предназначенный для поддерживания давления в камере 322 на уровне давления окружающего атмосферного воздуха. В нижнем корпусе 304 выполнено входное отверстие 312 управляющего давления, воспринимающее указанное давление, чтобы изменить давление в камере 324. Как более подробно будет описано далее в связи с фиг.4, пластина 318, обеспечивающая жесткую основу мембраны 316, посредством уплотнительного узла 326 способствует образованию герметичного сопряжения мембраны 316 и штока (вала) 320 исполнительного механизма. Между пластиной 318, обеспечивающей жесткость мембраны, и внутренней стенкой 328 верхнего корпуса 302 помещены пружины 314. Указанным пружинам 314 придана конфигурация, обеспечивающая принудительное отжатие мембраны 316, пластины 318 и вала 320 исполнительного механизма от верхнего корпуса 302 в сторону регулирующего клапана (не показан), функционально связанного с валом 320. Как следует из примера, показанного на фиг.3, исполнительному механизму 300 придана конфигурация, отвечающая управлению прямого действия. Однако вместо этого можно использовать и конфигурацию, соответствующую принципу обратного действия.
На фиг.4 в увеличенном масштабе и в сечении представлен уплотнительный узел 326 примера мембранного исполнительного механизма 300, показанного на фиг.3. Согласно фиг.4 в указанном узле 326 мембрана 316 образует герметичное сопряжение непосредственно с заплечиком 414 вала 320. Точнее, мембрана 316 имеет уплотнительный выступ 404, выполненный заодно с ней и расположенный по периметру ее центрального отверстия 412. Как показано на фиг.4, уплотнительному выступу 404 придана конфигурация, имеющая уплотнительный участок, криволинейная поверхность которого примыкает к контуру центрального отверстия 412. Однако вместо такого варианта для уплотнительного выступа 404 предусмотрена возможность и других форм и расположений. Например, ему можно придать прямоугольный профиль и/или отделить или сместить его от отверстия 412 в радиальном направлении, получив такие же или подобные результаты, что и при применении варианта, показанного на фиг.4. В предпочтительном (хотя и не обязательном) варианте мембрана 316 изготовлена из эластомерного материала и может дополнительно содержать кордовые или какие-то другие укрепляющие слои, обеспечивающие желаемые жесткость, прочность, срок службы и другие подобные параметры.
Независимо от конкретных геометрии и расположения уплотнительного выступа 404, выполненного заодно с мембраной, ему придана конфигурация, обеспечивающая его герметичное сопряжение с перемещаемым элементом мембранного исполнительного механизма и присоединение к указанному элементу. В частности, конфигурация выступа 404 позволяет ему войти в механическое соединение и герметичное сопряжение с валом 320 исполнительного механизма. В примере по фиг.4 заплечик 414 ориентирован, по существу, перпендикулярно продольной оси вала 320 и содержит кольцевую канавку (выточку) 406 с конфигурацией, позволяющей ввести в нее уплотнительный выступ 404. В варианте, представленном на чертеже, указанная выточка 406 имеет прямоугольный профиль. Однако вместо этого для достижения механического сопряжения и герметичного сопряжения между выступом 404 и валом 320 можно использовать любой другой пригодный профиль. В добавление к сказанному, заплечик 414 по отношению к продольной оси вала 320 может располагаться не только, по существу, перпендикулярно, как это показано на чертеже, но и под любым другим углом.
Размеры концевого участка 408 вала 320 выбраны таким образом, чтобы диаметр этого участка был меньше, чем у остальной части вала, т.е. чтобы этот участок вала 320 контактировал со стенкой центрального отверстия 412 мембраны 316, стенкой центрального отверстия 410 пластины 318 и стенкой кольцевой прокладки 400 или свободно проходил через указанные отверстия. Кроме того, участок 408 сконфигурирован для взаимодействия, по меньшей мере, с одной крепежной деталью, такой, в частности, как гайка 402. В данном примере указанный участок 408 вала 320 снабжен резьбой для навинчивания гайки 402, причем указанную гайку затягивают, чтобы прижать кольцевую прокладку 400, пластину 318, обеспечивающую жесткость мембраны, и уплотнительный выступ 404 к заплечику 414 вала 320. В результате выступ 404 вдавливается в кольцевую выточку 406, формируя уплотнение между мембраной 316 и валом 320 и тем самым, по существу, предотвращая утечку в зоне между ними через центральное отверстие 412 мембраны 316.
Кольцевой прокладке 400 можно придать конфигурацию, имеющую плоскую поверхность с центральным отверстием. Однако предусмотрена возможность использовать вместо этого и другие конфигурации и/или дополнительные кольцевые прокладки. Например, вместо кольцевой прокладки 400 или в добавление к ней можно применить одну или несколько волнистых шайб, тарельчатых пружин, пружинных шайб и других подобных деталей. Далее, предусмотрена возможность изготовить кольцевую прокладку 400 и/или любые дополнительные кольцевые прокладки из металла, пластика или любого другого пригодного материала. В дополнение к сказанному, хотя крепежная деталь 402 представлена на чертеже в виде единственной гайки, предусмотрена возможность использовать другие и/или дополнительные крепежные детали. Например, вместо крепежной детали 402 или в добавление к ней для удерживания мембраны 316 в герметичном сопряжении с валом 320 можно применить самостопорящуюся гайку, нажимную гайку и/или любой другой тип крепежной детали или замыкающего устройства.
На фиг.5 в увеличенном масштабе и в сечении представлен альтернативный вариант герметичного сопряжения между мембраной и валом из примера уплотнительного устройства, показанного на фиг.3 и 4. Как показано на фиг.5, между уплотнительным выступом 404 и кольцевой выточкой 406 помещен слой материала 500, в качестве которого можно использовать клей или любое другое средство, способствующее герметичному сопряжению указанных выступа 404 и выточки 406.
Далее, материал 500 может покрывать выточку 406 изнутри полностью или только частично.
Объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными устройствами, приведенными в данном описании в качестве примеров. Напротив, оно охватывает все устройства и изделия, соответствующие прилагаемой формуле изобретения, причем как буквально, так и с учетом эквивалентов.