УПЛОТНЕНИЕ КЛАПАНА
SEALING OF VALVE

Изобретение относится к уплотнительным устройствам периодического действия, использующим давление уплотняемой рабочей среды для повышения надежности герметизации уплотнения и предназначенным для перекрытия потока рабочей среды.
Известно клапанное уплотнение с упругой кромкой, включающее подвижный вдоль оси жесткий элемент с внутренней конической уплотнительной поверхностью, сопрягаемой с упругой кромкой, выполненной в виде короткой тонкостенной цилиндрической оболочки (см. А.И.Голубев и Л.А.Кондаков, «Уплотнения и уплотнительная техника», Москва, «Машиностроение», 1986 г., стр.229-231, рис.7.7б).
Уплотнение имеет ряд недостатков:
- высокое удельное давление в контакте и, как следствие, быстрый износ уплотнительной поверхности и кромки;
- повышенные требования к точности изготовления деталей и координации жесткого элемента относительно оболочки.
Известно клапанное уплотнение (RU, патент на изобретение №2282768 С2, от 27.08.2006, F16K 1/34), включающее подвижный вдоль оси жесткий элемент с внутренней конической уплотнительной поверхностью и сопрягаемую с ней упругую кромку, выполненную в виде короткой цилиндрической оболочки из эластомера, закрепленной на патрубке, имеющей величину вылета от места закрепления, равную 2,3-2,6 толщинам стенки оболочки, а угол конусности уплотнительной поверхности определяется соотношением:
α≤180°-2·[φ+arctg(S/h)],
где α - угол конусности, градус;
φ - угол трения эластомера о жесткий элемент, градус;
S - толщина стенки оболочки;
h - величина вылета оболочки.
Клапанное уплотнение имеет ряд недостатков:
- величина части рабочего хода - Δ жесткого элемента вдоль оси для радиальной деформации и обжатия в окружном направлении оболочки с целью создания предварительного поджатия ее к уплотнительной поверхности составляет величину, равную:
Δ≈h·cos(α/2), α=58°,
Δ=h·cos 29°=2,6·0,87=2,27·S.
Эта величина части рабочего хода для клапана, работа которого осуществляется только благодаря взаимодействию упругости пружины и воздействию меняющегося по величине перепада давления уплотняемой среды на клапане, слишком велика с точки зрения обеспечения минимальной габаритной длины клапана. Это поясняется следующим образом: габаритный размер клапана по длине в основном определяется длиной пружины в предварительно сжатом состоянии, которая в 3÷10 раз больше рабочего хода пружины, с целью обеспечения пологой ее характеристики. Поэтому для сокращения габарита клапана по длине нужно максимально возможно сократить величину рабочего хода жесткого элемента, в том числе и часть хода для деформации оболочки;
- значительный износ кромки и поверхности от трения скольжения их об уплотнительную поверхность жесткого элемента, при его прямом и обратном ходах, под большим усилием прижатия их к уплотнительной поверхности давлением уплотняемой среды.
Известно клапанное уплотнение, включающее седло с внутренней конической уплотнительной поверхностью, угол конусности которой 60°, подвижный вдоль оси клапан, в торце которого закреплено кольцо из эластомера, сопрягаемое внешней кромкой с уплотнительной поверхностью седла (А.И.Голубев и Л.А.Кондакова, «Уплотнения и уплотнительная техника», Москва, «Машиностроение», 1986 г., стр.239, таблица 7.14).
Известное клапанное уплотнение имеет недостаток, заключающийся в том, что недостаточно полно используется давление уплотняемой среды для создания дополнительного усилия прижатия кромки кольца к уплотнительной поверхности седла с целью повышения надежности герметизации уплотнения. Это поясняется следующим образом: давление среды действует только на поверхность торца кольца и величина дополнительного напряжения прижатия кромки кольца к уплотнительной поверхности от воздействия давления среды будет в этом случае выражаться формулой:
доп
раб
Р≤Р·µ;
доп
раб
где Р, Р - напряжения дополнительное и среды;
доп
раб
µ≈0,3÷0,4 - коэффициент Пуассона для эластомера, применяемого в уплотнении. Если бы для воздействия давления среды была бы доступна внутренняя цилиндрическая поверхность кольца, то величина дополнительного напряжения выражалась бы формулой: Р=Р, что в 2,5÷3,3 раза больше, чем в известном уплотнении.
Известно уплотнение клапана (RU, патент на изобретение №2307279, С2, от 27.09.2007, F16K 31/08), включающее подвижный вдоль оси запорный орган с внутренней конической уплотнительной поверхностью, с углом конусности α=30°, манжету из эластомера, выполненную в виде цилиндрической оболочки, сопрягаемой с конической уплотнительной поверхностью запорного органа и закрепленную прижимной втулкой в держателе сопла, при этом вылет кромки оболочки - h и толщина стенки оболочки - S связаны соотношением:
h=(1,5÷2)·S,
причем ход запорного органа на манжету ограничивается конической внешней поверхностью прижимной втулки, сопрягаемой с уплотнительной поверхностью. Известное уплотнение имеет ряд недостатков:
- повышенные требования к точности изготовления деталей и координации запорного органа относительно седла;
- большая величина части хода запорного органа для предварительной деформации кромки манжеты:
α/2=15°; Δ=h·cos 15°=2,0·0,97·S=1,94·S;
- значительный износ манжеты при трении скольжения ее об уплотнительную поверхность запорного органа, при его прямом и обратном ходах, под большим усилием прижатия манжеты к уплотнительной поверхности давлением уплотняемой среды.
Известное уплотнение наиболее близко к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемым техническим результатам.
Технической задачей изобретения является конструкция уплотнения клапана, не требующая повышенной точности изготовления деталей и координации запорного органа относительно седла, обеспечивающая перемещение запорного органа относительно манжеты без трения скольжения, что предотвращает износ ее об уплотнительную поверхность запорного органа, при прямом и обратном его ходах, также имеющая незначительную величину части хода запорного органа при предварительной деформации им манжеты, что дает возможность сократить габаритный размер клапана по длине, кроме того защищающая кромку манжеты от прямого динамического воздействия потока уплотняемой среды. Результатом решения технической задачи является упрощенная технология изготовления уплотнения, повышенная износостойкость манжеты и уплотнительной поверхности запорного органа, возможность сократить габариты клапана. Все это снижает стоимость уплотнения и повышает его долговечность.
Техническая задача по уплотнению клапана, содержащего подвижный вдоль оси запорный орган с внутренней конической уплотнительной поверхностью, с возможностью ограничения его хода на манжету, сопрягаемую с уплотнительной поверхностью, выполненную в виде цилиндрической оболочки из эластомера, закрепленную прижимной втулкой в держателе седла, решается согласно изобретению тем, что угол конусности уплотнительной поверхности составляет 60°, не менее, внутренняя втулка держателя выполнена с возможностью регулирования величины предварительной деформации манжеты запорным органом, причем на верхнем конце втулки выполнен защитный козырек.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид уплотнения;
фиг.2 - выноска А с фиг.1;
фиг.3 - выноска А с фиг.1 - схема касания уплотнительной поверхностью кромки оболочки;
фиг.4 - схема предварительной деформации кромки оболочки уплотнительной поверхностью запорного органа;
фиг.5 - схема дополнительной деформации кромки оболочки уплотнительной поверхностью давлением среды.
Уплотнение клапана, в дальнейшем тексте "Уплотнение", содержит запорный орган 1 с внутренней конической уплотнительной поверхностью 2. Угол конусности α уплотнительной поверхности 2 составляет 60°, не менее. Запорный орган 1 имеет возможность хода вдоль оси, в нижней части хода с его уплотнительной поверхностью 2 сопрягается манжета 3, выполненная в виде цилиндрической оболочки 4 с фланцем 5 из эластомера. Оболочка 4 закреплена прижимной втулкой 6 в держателе 7 седла 8, в свою очередь закрепленном в корпусе клапана 9. Внутренняя втулка 10 держателя 7 закреплена в нем на резьбе, с возможностью перемещения. Держатель 7 на резьбе ввернут в седло 8 и защемляет фланец 5 оболочки 4 между собой и прижимной втулкой 6. Оболочка 4 по цилиндрическим поверхностям зажата между прижимной втулкой 6 и резьбовой частью внутренней втулки 10 держателя 7. Остается свободной только кромка 11 оболочки 4, вылет h которой равен 0,64·S; здесь: h - вылет кромки 11, S - толщина стенки оболочки 4. В стенке внутренней втулки 10, вне ее резьбовой части, выполнены дренажные отверстия 12, на верхнем ее конце выполнен защитный козырек 13.
Уплотнение работает следующим образом: запорный орган 1 при перекрытии потока среды смещается вниз и касается уплотнительной поверхностью 2 кромки 11. Касание происходит по круговой линии точек касания Z (см. фиг.2). К кромке 11 приложены силы: N - нормальное усилие запорного органа 1; F - сила трения эластомера об уплотнительную поверхность 2; R - результирующая сила. Коэффициент f - трения эластомера о сталь принят равным 1, для условий трения без смазки, для пары: резина - сталь; угол трения φ в этом случае равен 45°. Вектор силы R направлен вниз вдоль стенки оболочки 4 и проходит в пределах сечения Х-Y, значительно правее точки k - центра сечения Х-Y, относительно которого возможен поворот кромки 11 в радиальном направлении при изгибе, поэтому линия Z точек касания кромкой 11 уплотнительной поверхности 2 не скользит по уплотнительной поверхности 2 при дальнейшем перемещении запорного органа 1 вниз, а стопорится относительно ее и смещается вместе с ней вниз без относительного скольжения. Поворот кромки 11 в радиальном направлении возможен лишь тогда, когда вектор R будет проходить намного левее точки k - центра сечения Х-Y. Угол трения φ в этом случае выражается формулой:
φ≤90°-1/2α-arctg[(S/2)/h]=90°-30°-arctg[(S/2)/(0,64·S)],
что соответствует f=0,4. Такая величина f=0,4 возможна только при создании особых условий смазки, например, при трении пары: резина - сталь. В случае уплотнения рабочей среды, способствующей смазке пары трения: эластомер - материал уплотнительной поверхности 2; угол конусности α необходимо увеличить до нужной величины. Например, если среда - вода, то для пары: резина - сталь α нужно увеличить до 90°. Запорный орган 1 смещается от момента касания кромки 11 на величину t (фиг.3). Край кромки 11 будет вдавлен в нее по нормали к уплотнительной поверхности 2 на величину предварительной деформации:
Δ=t·sin(α/2).
Поскольку форма предварительной деформации края кромки 11 представляет собой в сечении треугольник с прямым углом при линии точек касания Z, то в этом месте возникают контактные напряжения, по величине достигающие модуля упругости Е эластомера. Это обеспечивает начальную герметичность уплотнения среды. Дальнейшее смещение вниз запорного органа ограничено упором его в торец внутренней втулки 10. Величина предварительной деформации - Δ в зависимости от твердости эластомера и толщины стенки S оболочки 4 может колебаться в пределах: 0,2÷0,5 мм и определяется опытным путем при испытании конкретного "Уплотнения". Регулирование величины Δ осуществляют, перемещая внутреннюю втулку 10, вращением ее в резьбовом соединении. Таким образом ход t запорного органа для предварительной деформации кромки 11 может составить
t=Δ/sin(α/2)=0,4÷1,0 мм,
что в 5 и более раз меньше, чем у аналога. При повышении давления уплотняемой среды кромка 11 дополнительно деформируется давлением среды (см. фиг.4) и уплотнение способно обеспечить надежную герметизацию уплотняемой среды давлением до 0,6 МПа. При смещении вверх запорного органа 1 кромка 11 восстанавливает свою прежнюю форму за счет упругости и под воздействием давления среды. Край кромки 11 следует за уплотнительной поверхностью 2 без скольжения, чему способствует сила трения F (см. фиг.4). При отрыве от контакта с кромкой 11 уплотнительной поверхности 2 в образовавшуюся щель устремляется с большой скоростью поток среды, струю которого направляет козырек 13 вдоль по уплотнительной поверхности 2, тем самым предотвращая разрушительное воздействие скоростного напора струи уплотняемой среды на кромку 11.
Таким образом, конструкция "Уплотнения" не требует повышенных требований к точности изготовления деталей и координации запорного органа 1 относительно манжеты 3 за счет ее эластичности, имеет ход запорного органа 1 для предварительной деформации манжеты 3 в 5 и более раз меньше, чем у аналогов, сопряжение манжеты 3 и уплотнительной поверхности 2 осуществляется без относительного трения скольжения, кромка 11 манжеты 3 защищена от прямого разрушительного воздействия скоростного напора потока уплотняемой среды, а величина предварительной деформации регулируется.
Использование изобретения позволит упростить технологию изготовления "Уплотнения", повысить его долговечность, снизить стоимость изготовления.