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°С, 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,
- а также система управления.
Эффективность работы газостата во многом зависит от надежности и производительности его главной - газовой системы. В свою очередь качественный уровень работы последней определяется пропускной способностью запорной аппаратуры и газового трубопровода, по которым в процессе выполнения технологических операций перемещается самотеком или с помощью газовых компрессоров рабочая среда. В связи с этим разработка и применение надежно работающей газовой аппаратуры высокого давления с увеличенным до 10…15 мм условным проходом приобретает особое значение 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 используемые для закрытия клапана винтовая или блок тарельчатых прижимных пружин должны создавать усилие, достаточное для:
- преодоления осевой нагрузки рабочей среды высокого давления на иглу;
- создания необходимых контактных давлений на рабочей кромке пары «седло-игла»;
- преодоления усилия трения, возникающего между иглой и блоком ее уплотнений;
- а также - усилия трения между поршнем и цилиндром сервопривода управления клапаном.
В случае применения запорных клапанов с увеличенными условными проходами перечисленные выше усилия, действующие при работе клапана, возрастают. Критически увеличивается осевая нагрузка рабочей среды на иглу. Так, при рабочем давлении газостата 200 МПа в клапане с условным проходом Ду = 5 мм она составляет 390 кг, а в клапане с Ду = 15 мм - 3530 кг, т.е. - возрастает почти в 10 раз, что вызывает необходимость использования пружин большой жесткости, а значит, и увеличенных габаритов. При этом пропорционально растет диаметр поршня цилиндра сервопривода, необходимого для сжатия такой пружины при открытии клапана, а также его габариты и металлоемкость в целом.
Аналогом заявляемого изобретения является газостат, описанный авторским свидетельством №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. Газовая система машины оснащена унифицированными нормально-закрытыми клапанами с увеличенным проходом - Ду 15 мм. Клапан оснащен газовым цилиндром разгрузки, шток которого установлен на игле клапана, а его подклапанная полость соединена с помощью внешнего капилляра высокого давления с цилиндром разгрузки. Несмотря на то что применение цилиндра разгрузки с целью уравновешивания системы «игла - шток газового цилиндра» позволило уменьшить габариты и металлоемкость клапана по сравнению с аналогичными параметрами запорного клапана прямого действия, недостатком клапана газостата-аналога является то, что его диаметральный размер определяется расположением нескольких прижимных пружин на периферии поршня сервопривода за пределом наружного диаметра цилиндра разгрузки и далее -стягивающих шпилек, а в общую высоту клапана входит высота газового цилиндра, установленного над верхним фланцем клапана, что влияет на металлоемкость и в результате на его стоимость.
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, а также невозможность извлечь без повреждений и применения специальных приспособлений блок обжатых высоким давлением уплотнений иглы с целью их многократного использования.
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 игла, образовано расточками подклапанной и надклапанной полостей. Для удаления блока уплотнений на нижней части иглы предусмотрена сплошная цилиндрическая бородка, диаметр которой больше диаметра уплотняемой части стержня иглы. Газовый цилиндр разгрузки установлен внутри прижимной пружины, в пределах ее габаритов и направлен в сторону в сторону поршня сервопривода.
Существенным недостатком клапана-прототипа является незначительная величина кольцевой площади зазора между внутренним диаметром надклапанной полости корпуса и диаметром сплошной круговой бородки, где происходит дросселирование потока газа и существенное снижение пропускной способности клапана. В то же время для обеспечения кольцевого зазора между острой кромкой седла и конической поверхностью иглы, при угле ее конуса 60°, эквивалентного условному проходу клапана Ду 10…15 мм, достаточно поднять иглу на 5 мм. Решение проблемы за счет увеличения подъема иглы - нерационально. Так, например, при увеличении хода поршня сервопривода клапана, соединенного с иглой, с 5 до 10 мм высота жесткой прижимной пружины 18×90×3 (где: 18 - диаметр проволоки, мм; 90 - наружный диаметр пружины, мм; 3 - число полных витков) в свободном состоянии увеличивается со 101 до 200 мм, а ее масса в два раза. С учетом пропорционального роста габаритов и массы сервопривода общая масса клапана увеличится на 25-30%.
Кроме получения технического результата, указанного ниже, задачей предлагаемого изобретения является создание эффективной газовой системы с повышенным рабочим давлением и с получением экономического эффекта в виде снижения стоимости газовой системы, снижения стоимости выпускаемой продукции, уменьшения металлоемкости, при этом выполнение задачи и получение технического результата обеспечивается одними и теми же элементами газостата.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных, надежных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и нанопорошковых материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды при температуре до 2000°С.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в:
- создании эффективной газовой системы с повышенным до 500 МПа рабочим давлением;
- уменьшении времени создания заданного давления в контейнере и откачивания газа из него в конце рабочего цикла;
- повышении производительности газостата и снижении стоимости выпускаемой продукции.
Технический результат достигается тем, что газовая система газостата оснащена газовым трубопроводом и компактной запорной аппаратурой с увеличенным условным проходом, выполненной в виде запорного клапана, в нижней части иглы которого расположена цилиндрическая проточка и бородка для удаления блока уплотнений, позволяющие увеличить проходное сечение и пропускную способность клапана при малом ходе иглы при его открытии.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фиг.1…4, где:
на фиг.1 показан газостат с фрагментом газовой системы;
на фиг.2 изображен нормально-закрытый клапан с газовым цилиндром разгрузки и увеличенным условным проходом;
на фиг.3 приведена запорная часть клапана в его открытом положении, - сечение А-А фиг.2;
на фиг.4 представлено сечение Б-Б фиг.3.
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 прямоугольную 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. 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. Применение газового цилиндра разгрузки, соединенного внешним капилляром с подклапанной полостью, позволяет уравновесить иглу клапана внутренним рабочим давлением газовой системы и снизить усилие пружины, необходимое для закрытия клапана.
Для обеспечения в запорной части клапана при его открытии проходного сечения, эквивалентного площади условного прохода на стержне иглы (фиг.3), выполнена цилиндрическая проточка 32, располагающаяся напротив подводящего канала 33, при этом верхняя кромка 34 проточки 32 не входит в блок уплотнений 35. С этой же целью бородка, используемая для удаления из клапана блока уплотнений неповрежденным, выполнена не сплошной по наружному диаметру, как в клапане прототипа, а в виде двух диаметрально расположенных выступов 36 незначительного поперечного сечения, освобождая при этом для прохода газа две площадки 37.
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, и цикл повторяется.
В независимости от направления движения потока при выполнении конкретной технологической операции газ в запорной части клапана свободно, без дросселирования проходит через две площадки 37 и сечение кольцевой проточки 32.
Таким образом оснащение газовой системы машины нормально-закрытыми клапанами с увеличенным условным проходом, на игле которого выполнены цилиндрическая проточка и бородка, обеспечивающие проходное сечение, эквивалентное сечению условного прохода клапана, позволяет:
- создать надежный и высокопроизводительный газостат благодаря использованию в его газовой системе компактных запорных клапанов с увеличенным условным проходом;
- 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 цикла, повысить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.