КЛАПАН ВПУСКНОЙ

Полезная модель относится к общему машиностроению, в частности к предохранительным клапанам, а именно к клапанам, выравнивающим давление, главным образом для резервуаров.
Наиболее близким аналогом является клапан впускной, предназначенный для установки на вагон-цистерны для перевозки опасных веществ нефтегазохимической промышленности, состоящий из корпуса, имеющего направляющую поверхность и седло с уплотнительной поверхностью, штока, установленного в корпусе и базирующегося на его направляющей поверхности, на котором с помощью гайки закреплено уплотнительное кольцо с уплотнительным пояском, прилегающим к уплотнительной поверхности седла корпуса, пружины, установленной в корпусе и кинематически связанной со штоком, втулки и гайки, с помощью которых производится регулировка степени поджатия пружины, крышки, навинчиваемой на корпус (Клапан впускной производства ООО «ВЗЭГО»).
Однако клапан впускной имеет техническую проблему. В конструкции клапана впускного, средний диаметр уплотнительного пояска выбран из условия герметичности клапана впускного при рабочем давлении среды, данное условие является необходимым, но не является достаточным для обеспечения герметичности клапана впускного при минимальном рабочем давлении среды. При понижении давления среды до минимального рабочего давления среды это приводит к разгерметизации клапана впускного, что в свою очередь влечёт к утечке опасных веществ (перевозимого продукта) в окружающую среду.
ср
Решение вышеуказанной технической проблемы обеспечивается в конструкции клапана впускного, состоящего из корпуса, имеющего направляющую поверхность и седло с уплотнительной поверхностью, штока установленного в корпусе и базирующегося на его направляющей поверхности на котором с помощью гайки закреплено уплотнительное кольцо с уплотнительным пояском, прилегающим к уплотнительной поверхности седла корпуса, пружины, установленной в корпусе и кинематически связанной со штоком, втулки и гайки, с помощью которых производится регулировка степени поджатия пружины, крышки, навинчиваемой на корпус, при этом средний диаметр уплотнительного пояска d, выбран из условия:
,
при этом:
;
,
где:
ср1
min
d - средний диаметр уплотнительного пояска, необходимый для обеспечения герметичности клапана впускного при давлении Р, мм;
ср2
d - средний диаметр уплотнительного пояска, при котором достигается максимальная допустимая удельная нагрузка на уплотнительный поясок [q], мм;
ср
d - средний диаметр уплотнительного пояска, мм;
min
Р - минимальное рабочее давление среды, МПа;
о
Р - давление открытия клапана впускного, МПа;
р
Р - рабочее давление среды, МПа;
[q] - максимальная допустимая удельная нагрузка на уплотнительный поясок, МПа;
min
min
q - удельная нагрузка необходимая для обеспечения герметичности клапана впускного при давлении среды Р, МПа;
b - ширина уплотнения, мм;
α - угол наклона уплотнительного пояска, градус, что позволяет обеспечить герметичность клапана впускного как при рабочем давлении среды, так и при минимальном рабочем давлении среды и при этом избежать утечки опасных веществ (перевозимого продукта) в окружающую среду.
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым полезной моделью, является обеспечение герметичности клапана впускного как при рабочем давлении среды, так и при минимальном рабочем давлении среды, что позволяет избежать утечки опасных веществ (перевозимого продукта) в окружающую среду.
Клапан впускной представлен на фиг.1 и фиг. 2, где:
фиг.1 - общий вид клапана впускного, продольное сечение;
фиг. 2 - вид А по фиг.1, где:
ср
1 - корпус, 2 - направляющая поверхность, 3 - седло,  4 - уплотнительная  поверхность, 5 - шток, 6 - гайка, 7 - уплотнительное кольцо, 8 - уплотнительный поясок, 9 - пружина, 10 - втулка, 11 - гайка, 12 - крышка, d - средний диаметр уплотнительного пояска, b - ширина уплотнения, α - угол наклона уплотнительного пояска.
Общая конструкция клапана впускного состоит из корпуса 1, имеющего  направляющую поверхность 2 и седло 3 с уплотнительной поверхностью 4. В   корпус 1 установлен шток 5, который базируется на направляющей поверхности 2 корпуса 1. На штоке 5 установлено уплотнительное кольцо 7 с уплотнительным пояском 8, уплотнительное кольцо 7 закреплено на штоке 5 гайкой 6. В корпусе 1 установлена пружина 9, которая кинематически связана со штоком 5. Степень поджатия пружины 9 регулируется с помощью втулки 10 установленной на шток 5 и гайки 11 навинчиваемой на шток 5. Уплотнительный поясок 8 прилегает к уплотнительной поверхности 4, за счёт чего обеспечивается герметичность клапана впускного.
min
В закрытом положении клапана при минимальном рабочем давлении среды P силы, действующие в клапане, а именно:
1
min
F - усилие, создаваемое на штоке, минимальным рабочим давлением среды P;
2
F- сила упругости пружины;
3
min
F - усилие на уплотнительном пояске, при минимальном рабочем давлении среды P;
4
F - вес штока,
находятся в равновесии, описываемом уравнением:
(1)
Знаки перед силами выбраны с учётом их направления.
При этом:
, где (2)
1
2
S - площадь действия рабочей среды на шток, мм.
, где (3)
ср1
min
d - средний диаметр уплотнительного пояска, необходимый для обеспечения минимального удельного усилия на уплотнительном пояске, обеспечивающим герметичность клапана при минимальном рабочем давлении среды P, мм.
Сила упругости пружины рассчитывается по формуле:
, где (4)
о
Р - давление открытия клапана впускного, МПа.
min
Усилие на уплотнительном пояске, при минимальном рабочем давлении среды рассчитывается с учётом обеспечения минимального удельного усилия на уплотнительном пояске, обеспечивающим герметичность клапана при минимальном рабочем давлении среды P:
, где (5)
min
min
q - удельная нагрузка, необходимая для обеспечения герметичности клапана впускного, при давлении среды Р, МПа;
2
2
S - площадь уплотнительного пояска, мм;
α - угол наклона уплотнительного пояска, градус.
Площадь уплотнительного пояска рассчитывается по формуле:
, где (6)
b - ширина уплотнительного пояска, мм.
Вес штока равен:
, где (7)
m - масса штока, кг,
2
g - ускорение свободного падения, м/с.
Подставляя выражения (2), (3), (4), (5), (6), (7) в выражение (1) и преобразуя, получаем:
(8)
р
В закрытом положении клапана при рабочем давлении среды P силы, действующие в клапане, а именно:
5
р
F - усилие, создаваемое на штоке, рабочим давлением среды P;
6
F- сила упругости пружины;
7
р
F - усилие на уплотнительном пояске, при рабочем давлении среды P;
4
F - вес штока,
находятся в равновесии, описываемом уравнением:
(9)
Знаки перед силами выбраны с учётом их направления.
При этом:
, где (10)
3
2
S - площадь действия рабочей среды на шток, мм.
, где (11)
ср2
d - средний диаметр уплотнительного пояска, обеспечивающий максимальное допустимое удельное усилие на уплотнительный поясок, превышение которого, приводит к повреждению уплотнительного пояска, мм.
Сила упругости пружины рассчитывается по формуле:
(12)
р
Усилие на уплотнительном пояске, при рабочем давлении среды рассчитывается с учётом обеспечения максимального допустимого удельного усилия на уплотнительном пояске, обеспечивающим герметичность клапана при рабочем давлении среды P:
, где (13)
р
[q] - максимальная допустимая удельная нагрузка на уплотнительный поясок, при давлении среды P, МПа;
4
2
S - площадь уплотнительного пояска, мм;
Площадь уплотнительного пояска рассчитывается по формуле:
(14)
Подставляя выражения (10), (11), (12), (13), (14), в выражение (9) и преобразуя, получаем:
(15)
min
р
р
Условием герметичности клапана впускного при минимальном рабочем давлении среды P и рабочем давлении среды P, а также целостности уплотнительного пояска при рабочем давлении P является выражение:
(16)
р
Клапан впускной работает следующим образом. Клапан впускной устанавливается на корпус вагон-цистерны. В закрытом состоянии клапана впускного уплотнительный поясок 8, уплотнительного кольца 7, установленного на штоке 5, поджимается усилием пружины 9, кинематически связанной со штоком 5 и дополнительно усилием на штоке, создаваемым давлением рабочей среды Р по направлению совпадающим с направлением действия усилия пружины, к уплотнительной поверхности 4 седла 3 корпуса 1, обеспечивая удельную нагрузку на уплотнительном пояске 8, необходимую для обеспечения герметичности клапана впускного.
min
ср
min
При воздействии внешних факторов на вагон-цистерну (понижение температуры окружающей среды) происходит понижение рабочего давления среды до P. В силу того, что средний диаметр d  уплотнительного пояска 8, удовлетворяет условию, где , то в этом случае усилия пружины 9 и усилия на штоке 5, создаваемого давлением среды P, достаточно для обеспечения удельной нагрузки на уплотнительном пояске 8, необходимой для герметичности клапана впускного.
о
При понижении давления в вагон-цистерне до P, ниже значения давления окружающей среды, создаётся усилие на штоке 5, направленное в противоположную сторону направлению действия усилия пружины 9, значение которого превышает значение усилия пружины 9, при этом шток 5 вместе с уплотнительным кольцом 7 начинает опускаться вниз. Клапан впускной открывается, происходит выравнивание давления в вагон-цистерне с давлением окружающей среды.
После выравнивания давления в вагон-цистерне с давлением окружающей среды шток 5 с уплотнительным кольцом 7, под воздействием усилия пружины 9, поднимается вверх, поджимая уплотнительный поясок 8 уплотнительного кольца 7 к уплотнительной поверхности 4 седла 3 корпуса 1. Клапан впускной закрывается.
min
При достижении давления в вагон-цистерне P, происходит герметизация клапана впускного.
ср
Таким образом, предложенная конструкция клапана впускного состоящего из корпуса, имеющего направляющую поверхность и седло с уплотнительной поверхностью, штока установленного в корпусе и базирующегося на его направляющей поверхности на котором с помощью гайки закреплено уплотнительное кольцо с уплотнительным пояском, прилегающим к уплотнительной поверхности седла корпуса, пружины, установленной в корпусе и кинематически связанной со штоком, втулки и гайки, с помощью которых производится регулировка степени поджатия пружины, крышки, навинчиваемой на корпус, при этом средний диаметр уплотнительного пояска d, выбран из условия:
,
при этом:
;
,
где:
ср1
min
d - средний диаметр уплотнительного пояска, необходимый для обеспечения герметичности клапана впускного при давлении Р, мм;
ср2
d - средний диаметр уплотнительного пояска, при котором достигается максимальная допустимая удельная нагрузка на уплотнительный поясок [q], мм;
ср
d - средний диаметр уплотнительного пояска, мм;
min
Р - минимальное рабочее давление среды, МПа;
о
Р - давление открытия клапана впускного, МПа;
р
Р - рабочее давление среды, МПа;
[q] - максимальная допустимая удельная нагрузка на уплотнительный поясок, МПа;
min
min
q - удельная нагрузка необходимая для обеспечения герметичности клапана впускного при давлении среды Р, МПа;
b - ширина уплотнения, мм;
α - угол наклона уплотнительного пояска, градус, позволяет обеспечить герметичность клапана впускного как при рабочем давлении среды, так и при минимальном рабочем давлении среды и при этом избежать утечки опасных веществ (перевозимого продукта) в окружающую среду.