КЛАПАН ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ

Изобретение относится к горной промышленности, а именно, к предохранительным клапанам плунжерного типа, предназначенным для защиты полостей гидростоек и гидроцилиндров механизированных крепей при статических и динамических нагрузках со стороны вмещающих пород.
Известен аварийный предохранительный клапан, включающий корпус с центральным и радиальными каналами, цилиндрические поверхности которого выполнены переменного диаметра и соединены с центральным каналом, соединенным с полостями гидростоек или гидроцилиндров. Корпус имеет дополнительную цилиндрическую поверхность, не соединенную с центральным каналом и подвижную втулку, выполненную с радиальными каналами различной площади сечения, которые соединяют полость, образованную дополнительной цилиндрической поверхностью корпуса и осевыми отверстиями большего диаметра подвижной втулки с полостью, образованной защитным кожухом и регулировочным штуцером.
Регулировочный штуцер установлен на корпусе и выполнен с отверстиями, соединенными с атмосферой, упругий элемент размещен между подвижной втулкой и защитным кожухом, на котором закреплен фиксатор, ограничивающий относительное перемещение защитного кожуха и регулировочного штуцера, на корпусе закреплен упор, ограничивающий осевое перемещение втулки. (Патент РФ №37383, Е 21 D 23/16, опубл. 2004 г.)
Известный клапан имеет достаточный ресурс работы и высокую степень герметичности.
Недостатком данного клапана является большой перепад давления при изменении расхода от максимального значения до нуля. Большой перепад давления
обусловлен тем, что после срабатывания клапана на подвижную втулку продолжает действовать дополнительное давление рабочей жидкости, заключенной в полости, образованной цилиндрическими поверхностями корпуса и втулки, вследствие чего клапан полностью закроется только после того, как усилие упругого элемента (пружины) преодолеет усилие равное произведению давления в защищаемой полости гидроцилиндра на площадь поверхности, образованной корпусом и втулкой.
Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является предохранительный клапан, включающий корпус с центральным и радиальными каналами и наружными цилиндрическими поверхностями переменного диаметра, каждая из которых соединена с центральным каналом корпуса. Клапан имеет осевое отверстие переменного диаметра, пружину, подвижную втулку с пакетами уплотнений, которые изолируют полость, образованную цилиндрическими поверхностями корпуса втулки, от атмосферы. (Патент РФ 33160, E 21 D 23/13, опубл. 2003 г.)
Известный клапан, принятый за прототип, имеет достаточный ресурс работы и высокую степень герметичности.
Недостатком данного клапана является ограниченная возможность повышения пропускной способности из- за невозможности увеличения количества радиальных отверстий и их диаметра без увеличения диаметра корпуса втулки и пружины.
Предлагаемое техническое решение решает задачу увеличения пропускной способности и быстродействия клапана, устанавливаемого в поршневых полостях гидростоек и гидроцилиндров механизированных крепей при пиковых нагрузках, возникающих при динамическом нагружении секции крепи со стороны вмещающих пород.
Для достижения указанного технического результата в клапане предохранительном, содержащим корпус с центральным и радиальными каналами, цилиндрическими
поверхностями, выполненными переменного диаметра, каждая из которых соединена с центральным каналом корпуса, подвижную втулку с пакетами уплотнений, пружину, радиальные каналы, соединяющие центральный канал корпуса с цилиндрической поверхностью большего диаметра, выполнены в несколько рядов, поверхность втулки выполнена в виде конуса с возможностью отклонения истекающего потока жидкости.
Кроме того, поверхность втулки, отклоняющая истекающий поток рабочей жидкости, может быть выполнена в виде параболы.
Клапан предохранительный иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлен клапан предохранительный с подвижной втулкой, имеющей отклоняющую поверхность истекающего потока в виде конуса.
На фиг.2 представлен клапан предохранительный с подвижной втулкой, имеющей отклоняющую поверхность в виде параболы.
Клапан предохранительный (фиг.1) состоит из корпуса 1 с цилиндрическим каналом 2, радиальными каналами 3 и 4, цилиндрическими поверхностями 5 и 6, подвижной втулки 7 с конусной поверхностью 8, пакетов уплотнений 9, 10, полости 11, образованной цилиндрическими поверхностями 5 и 6, пружины 12, присоединительного штуцера 13 с уплотнением 14, регулировочного стакана 15 с закрепленным на нем упором 16, отводящим гнездом 17, ограничителя хода подвижной втулки 18, фиксируемым на корпусе 1 стопорным кольцом 19, фиксатора 20.
Корпус 1 устанавливается в центральной расточке присоединительного штуцера 13 и герметизируется пакетом уплотнений 21.
Клапан предохранительный, представленный на фиг.1, работает следующим образом.
Клапан предохранительный присоединительным штуцером 13 соединяется с поршневой полостью гидростойки или полостями гидроцилиндра (на чертеже не показаны).
При возникновении избыточного давления в поршневой полости гидростойки или полостях гидроцилиндра рабочая жидкость через центральный канал 2 и радиальные каналы 4 корпуса 1 попадает в полость 11. За счет разницы площадей переменных диаметров корпуса 1 и подвижной втулки 7, последняя под действием осевой силы будет смещаться вправо и сжимать пружину 12 до тех пор пока пакет уплотнений 9 пройдет один или несколько рядов радиальных каналов 3, при этом рабочая жидкость, проходя через центральный канал 2, радиальный канал 3, воздействуя на конусную поверхность 8 подвижной втулки 7 будет вытекать в атмосферу через отводящее гнездо 17.
Величина смещения подвижной втулки 7 и количество открытых рядов радиальных каналов 3 будет определяться суммой осевых сил, действующих на подвижную втулку
вm
вm
гд
F=P·S+F,
вm
где F - осевая сила, действующая на втулку;
Р - давление в защищаемой полости;
вm
S - активная площадь втулки, на которую действует давление;
гд
Р - гидродинамическая сила.
Величину гидродинамической силы определяют, пользуясь законами изменения количества движения
где Q - секундный расход рабочей жидкости;
ρ - плотность рабочей жидкости;
U - средняя скорость жидкости, истекающей из конусной поверхности подвижной втулки;
- угол отклонения потока во втулке.
Подбором угла конусной поверхности добиваются компенсации приращения усилия пружины при смещении подвижной втулки, обеспечивая тем самым стабильную работу предохранительного клапана при значительном изменении расхода рабочей жидкости.
После снижения давления в защищаемых полостях гидростойки или гидроцилиндра, втулка 7 под действие пружины 12 займет крайнее левое положение. При этом пакет уплотнений 9 изолирует центральный канал 2 от атмосферы.
Регулировка давления настройки клапана предохранительного осуществляется относительным перемещением присоединительного штуцера 13 и регулировочного стакана 15с закрепленным на нем упором 16 и последующей фиксацией фиксатором 20.
Клапан предохранительный, представленный на фиг.2, состоит из корпуса 1 с цилиндрическим каналом 2, радиальными каналами 3 и 4, цилиндрическими поверхностями 5 и 6, подвижной втулки 7, пакетов уплотнений 9, 10, полости 11, образованной цилиндрическими поверхностями 5 и 6, пружины 12, присоединительного штуцера 13 с уплотнением 14, регулировочного стакана 15 с закрепленным на нем упором 16, отводящим гнездом 17, ограничителя хода подвижной втулки 18, фиксируемым на корпусе 1 стопорным кольцом 19, фиксатора 20.
Корпус 1 устанавливается в центральной расточке присоединительного штуцера 13 и герметизируется пакетом уплотнений 21. Втулка 7 выполнена с параболической поверхностью 22
Клапан предохранительный, представленный на фиг.2, работает следующим образом.
Клапан предохранительный присоединительным штуцером 13 соединяется с поршневой полостью гидростойки или полостями гидроцилиндра (на чертеже не показаны).
При возникновении избыточного давления в поршневой полости гидростойки или полостях гидроцилиндра рабочая жидкость через центральный канал 2 и радиальные каналы 4 корпуса 1 попадает в полость 11. За счет разницы площадей переменных диаметров корпуса 1 и подвижной втулки 7, последняя под действием осевой силы будет смещаться вправо и сжимать пружину 12 до тех пор пока пакет уплотнений 9 пройдет один или несколько рядов радиальных каналов 3, при этом рабочая жидкость, проходя через центральный канал 2, радиальный канал 3, воздействуя на параболическую поверхность 22 подвижной втулки 7 будет вытекать в атмосферу через отводящее гнездо 17.
Величина смещения подвижной втулки 7 и количество открытых рядов радиальных каналов 3 будет определяться суммой осевых сил, действующих на подвижную втулку
вm
вm
гд
F=P·S+F,
вm
где F - осевая сила, действующая на втулку;
Р - давление в защищаемой полости;
вm
S - активная площадь втулки, на которую действует давление;
гд
Р - гидродинамическая сила.
Величину гидродинамической силы определяют, пользуясь законами изменения количества движения
где Q - секундный расход рабочей жидкости;
ρ - плотность рабочей жидкости;
U - средняя скорость жидкости, истекающей из конусной поверхности подвижной втулки;
- угол отклонения потока во втулке.
Применение параболической поверхности позволяет отклонить поток истекающей рабочей жидкости на угол близкий к 90° по отношению к осям каналов 3. При таком угле поворота достигается наибольший эффект компенсации жесткости пружины и значительно повышается скорость открытия клапана при максимальном расходе, что позволит применить его для защиты поршневых полостей гидростоек от динамического воздействия на секцию крепи со стороны вмещающих пород.
После снижения давления в защищаемых полостях гидростойки или гидроцилиндра, втулка 7 под действие пружины 12 займет крайнее левое положение. При этом пакет уплотнений 9 изолирует центральный канал 2 от атмосферы.
Регулировка давления настройки клапана предохранительного осуществляется относительным перемещением присоединительного штуцера 13 и регулировочного стакана 15 с закрепленным на нем упором 16 и последующей фиксацией фиксатором 20.