ГАЗОСТАТ
GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дискретных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 500 МПа давлений и температур до 2000°C, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
Основными компонентами газостата являются:
- собственно газостат, включающий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину;
- газовая и вакуумная системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере машины;
- системы нагрева и охлаждения;
- система управления.
Эффективность работы газостата зависит главным образом от производительности и надежности его главной газовой системы. В свою очередь, качественный уровень работы последней определяется производительностью газового привода, а именно пропускной способностью и надежностью газовой аппаратуры и трубопровода, по которым в процессе выполнения технологических операций перемещается рабочая среда. Отметим, что технологические операции, связанные с работой газового привода машины, такие, как многократное вакуумирование рабочей камеры, создание в ней необходимого давления и снижение давления в камере до атмосферного, составляют от 50 до 70% общего времени рабочего цикла газостата. В связи с этим создание и использование надежно работающей газовой аппаратуры высокого давления с увеличенными до 10-15 мм условным проходом и подъемом иглы клапана над седлом до 8-10 мм является важнейшей задачей при создании современных промышленных газостатов с объемом рабочей камеры, достигающим нескольких кубических метров.
Запорные клапаны газовой системы газостатов с небольшим объемом рабочей камеры и условным проходом 3-5 мм выполняются по схеме прямого действия. В этом случае в исходном (закрытом) положении клапана пружины должны создавать усилие, достаточное для:
- компенсации (восприятия) осевой нагрузки рабочей среды высокого давления на иглу с гладким стержнем, диаметр которого больше диаметра условного прохода клапана;
- и создания необходимых контактных давлений на рабочей кромке пары седло - игла, обеспечивающих внутреннюю герметичность клапана.
В данном случае в качестве запирающего элемента клапана используется пакет тарельчатых пружин, каждая из которых обладает достаточно большой жесткостью, но незначительной рабочей деформацией.
В случае применения запорных клапанов с увеличенным условным проходом критически возрастает осевая нагрузка рабочей среды на иглу. Так, при рабочем давлении газостата 200 МПа в клапане с подъемом иглы 3 мм и условным проходом Ду=5 мм она составляет 390 кг, а высота пакета пружин - 64 мм. В клапане с подъемом иглы 10 мм и Ду=15 мм осевая нагрузка рабочей среды составляет - 3530 кг, а высота пакета тарельчатых пружин - 200 мм, т.е. осевая нагрузка возрастает почти в 10 раз, а высота пакета пружин - в 3 раза, что вызывает необходимость использования пружин большей жесткости, а значит, и увеличенных габаритов. При этом пропорционально растет диаметр поршня цилиндра сервопривода клапана, необходимого для сжатия пакета таких пружин при открытии клапан, а также его габариты, металлоемкость и масса. Для устранения указанных недостатков созданы запорные клапаны с увеличенными условным проходом и подъемом иглы над седлом, в которых перечисленные недостатки исключены за счет использования новых конструктивных решений.
Аналогом заявляемого изобретения является газостат, описанный в авторском свидетельстве №1748940, бюллетень №27 от 23.07 1992 г. Газостат-аналог 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 операций рабочего цикла газовая система оснащена унифицированными нормально закрытыми клапанами с увеличенным (Ду=15 мм) условным проходом.
Несмотря на то, что применение газового цилиндра разгрузки в конструкции клапана газостата-аналога позволило значительно уменьшить его габариты и металлоемкость по сравнению с аналогичными параметрами клапана прямого действия, в котором игла не уравновешена, недостатком является то, что диаметральный размер клапана определяется расположением прижимных пружин на периферии поршня сервопривода за пределом наружного диаметра цилиндра разгрузки. Другой недостаток заключается в том, что цилиндр разгрузки установлен на верхнем фланце клапана, вследствие чего увеличиваются общая высота, металлоемкость и стоимость цилиндра клапана газостата. К недостаткам клапана-аналога следует также отнести использование в качестве седла отдельной линзы, образующей с корпусом два дополнительных трудно уплотняемых стыка и снижающей возможность обеспечения внутренней герметичности клапана.
Прототипом изобретения является газостат, описанный патентом РФ №2354500 от 22.06.2007 года. Газостат-прототип содержит силовую станину, контейнер, закрытый по торцам пробками, запорные газовые клапаны, компрессор и баллонную станцию. Для управления потоками газа при выполнении технологических операций используются унифицированные нормально закрытые клапаны с увеличенным условным проходом. Седло клапана, на острую кромку которого опирается конус иглы, образовано расточками подклапанной и надклапанной полостей. Газовый цилиндр разгрузки, соединенный капилляром высокого давления с подклапанной полостью, установлен внутри прижимной пружины, в пределах ее габаритов, и направлен в сторону поршня сервопривода. Шток цилиндра разгрузки опирается на шток сервопривода. Использование газового цилиндра позволило сбалансировать систему «игла клапана - шток цилиндра разгрузки» давлением рабочей среды. Диаметр штока цилиндра разгрузки выполнен больше условного прохода клапана, равного диаметру стержня иглы. При этом игла прижимается к седлу дополнительным усилием штока цилиндра разгрузки, обеспечивая надежную внутреннюю герметичность клапана.
Существенным недостатком конструкции как аналога, так и прототипа является то, что шток газового цилиндра разгрузки и шток сервопривода, свободно опирающиеся торцевыми поверхностями друг на друга, не имеют постоянного контакта. При открытии клапана с помощью сервопривода игла и шток цилиндра разгрузки перемещаются в крайнее верхнее положение. После сброса рабочего давления в надклапанной и подклапанной полостях, а следовательно, и в цилиндре разгрузки, а также давления управления в сервоприводе игла усилием пружины возвращается в исходное (закрытое) положение. При этом шток газового цилиндра разгрузки за счет трения в блоке его уплотнений остается в верхнем положении, а между торцами штоков образуется зазор, равный величине хода поршня сервопривода, нарушая таким образом сбалансированную систему «игла клапана - шток цилиндра разгрузки» с помощью давления рабочей среды. Подача давления рабочего газа в подклапанную полость (под иглу) и соединенный с ней цилиндр разгрузки, особенно в диапазоне низких давлений, не способных преодолеть усилие трения в блоке уплотнений штока цилиндра разгрузки и привести его в контакт со штоком сервопривода, вызывает снижение контактных давлений в паре игла - седло и нарушение внутренней герметичности клапана. Такое «неуправляемое» состояние клапанов газовой системы машины не позволяет надежно выполнять штатные операции рабочего цикла и может привести к созданию аварийной ситуации с тяжелыми последствиями, учитывая огромный запас энергии сжатого газа промышленных газостатов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и нанопорошковых материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды при температуре до 2000°C на базе надежной запорной аппаратуры газовой системы с увеличенной пропускной способностью за счет:
- создания эффективной газовой системы с повышенным до 500 МПа рабочим давлением;
- уменьшения времени создания заданного давления в контейнере и откачивания газа из него в конце рабочего цикла;
- существенного снижения ее металлоемкости и стоимости;
- повышения производительности газостата и снижения стоимости выпускаемой продукции.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что газостат содержит силовую станину и контейнер с пробками, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с.запорными клапанами газовой системы, выполненными нормально закрытыми с увеличением подъема запорной иглы над седлом и оснащенными газовым цилиндром разгрузки со штоком. Шток газового цилиндра выполнен ступенчатым, а внутри цилиндра разгрузки установлена пружина с возможностью постоянного прижатия штока цилиндра разгрузки к штоку сервопривода.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фиг.1-2, где
на фиг.1 показан газостат с фрагментом газовой системы;
на фиг.2 изображен нормально закрытый клапан с увеличенным условным проходом и газовым цилиндром разгрузки, шток которого постоянно прижат к штоку сервопривода пружиной, установленной внутри цилиндра разгрузки. Газостат содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, нормально закрытые клапаны 6, 7, 8 и 9, газовый компрессор 10 и баллонную станцию 11. Для управления потоками рабочей среды при выполнении технологических операций рабочего цикла клапаны 6, 7, 8 и 9 соединены между собой и с другими компонентами газовой системы трубопроводом 12, при этом газовый ввод 13 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке 4. Клапан (фиг.2) содержит корпус 14, в котором расточки надклапанной 15 и подклапанной 16 полостей образуют острую кромку 17 седла, на которую в закрытом состоянии клапана опирается игла 18. Гидравлический или пневматический сервопривод 19 соединен с корпусом 14 шпильками 20. Сервопривод состоит из гильзы 21, поршня 22, верхней 23 и нижней 24 крышек, закрепленных внутри гильзы с помощью пружинных колец 25. Клапан открывается при подаче пневмо- или гидросреды управления под поршень 22. На верхней крышке установлен стакан 26, внутри которого располагается прижимная пружина 27. Усилие воздействия пружины на иглу 18, передаваемое поршнем 22 через шток 28, регулируется винтами 29. Газовый цилиндр разгрузки 30 установлен внутри пружины с помощью быстроразъемного байонетного соединения 31 со стаканом 26 с радиальнным зазором 32, позволяющим избежать перекоса и заклинивания поршня 22 при его перемещении внутри гильзы 21 сервопривода 19. Ступенчатый шток 33 цилиндра разгрузки 30 нижним концом опирается на шток 28 сервопривода 19 и удерживается в постоянном контакте с ним пружиной 34, установленной на верхнем конце штока 33.
Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 1 сдвинута с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в рабочее пространство камеры газостата. Силовая станина устанавливается на оси контейнера. В сервопривод клапана 8 подается давление управления, клапан открывается и газ самотеком поступает из баллонов 11 в контейнер. После выравнивания в них давления клапан 8 закрывается. Затем открываются клапаны 7 и 9 и с помощью компрессора 10 давление в контейнере поднимается до заданной величины. Далее компрессор останавливается, а клапаны 7 и 9 закрываются. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение необходимого времени. Затем рабочее пространство камеры с заготовкой охлаждается. Открывается клапан 8 и газ самотеком перетекает из контейнера 3 в баллоны 11. Оставшийся газ через открытый клапан 6 выпускают из контейнера в баллонную станцию низкого давления (не показана) или в атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 1 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 5, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него, а цикл повторяется.
Таким образом оснащение газостата нормально закрытыми клапанами с увеличенными условным проходом и величиной подъема запорной иглы над седлом, у которых шток цилиндра разгрузки постоянно прижат к штоку сервопривода пружиной, установленной внутри цилиндра разгрузки, позволяет:
- обеспечить гарантированную внутреннюю герметичность клапана в любом диапазоне давлений рабочего цикла и создать надежную газовую систему машины;
- создать надежный и высокопроизводительный промышленный газостат;
- уменьшить время выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды по газовому трубопроводу и через запорную аппаратуру с повышенной пропускной способностью;
- сократить общее время рабочего цикла, увеличить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.