УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКРЫТИЯ КАНАЛА
CHANNEL SHUTOFF DEVICE

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано в системах обеспечения теплового режима (СОТР) изделий ракетной-космической техники, а также в других областях техники.
Известно устройство для перекрытия канала, содержащее корпус с цилиндрической полостью диаметром и перпендикулярно пересекающим ее осесимметричным каналом, запорный орган в виде контактирующего с ней по своей наружной поверхности цилиндрического ползуна, установленный в полости с возможностью возвратно-поступательного движения в перпендикулярном оси осесимметричного канала направлении, перекрытия осесимметричного канала в одном из своих крайних положений и сообщения разделенных полостью частей осесимметричного канала в другом крайнем положении посредством перепускного отверстия в запорном органе, а также приводной шток, связанный с запорным органом, установленный с возможностью перемещения параллельно запорному органу, при этом ось цилиндрического ползуна пересечена с осью перепускного отверстия, которая, в свою очередь, параллельна оси осесимметричного канала, а также радиальное уплотнение, размещенное в канавке на цилиндрической поверхности одной из частей осесимметричного канала (Заявка WO 85/01999 А1, 1985 г.) Недостатком этого устройства является сложность конструкции (из-за необходимости обработки пространственных уплотнительных поверхностей плавающих втулок), а также низкая надежность, вызванная неравномерным трением уплотнительных колец о запорный орган, имеющий острые кромки в местах выхода на его поверхность перепускного отверстия, что может привести к выходу колец из канавок, их скручиванию и заклиниванию в перепускном отверстии.
Указанных недостатков лишено выбранное в качестве прототипа устройство для перекрытия канала, содержащее корпус с глухой цилиндрической полостью и перпендикулярно пересекающим ее цилиндрическим каналом, установленный в полости с возможностью возвратно-поступательного движения контактирующий со стенкой полости по своей наружной поверхности ползун с первым и вторым отверстиями, диаметры которых равны диаметру цилиндрического канала, а их и ось цилиндрического канала параллельны и пересекают ось ползуна, при этом расстояние между осями первого и второго отверстий равно ходу ползуна (патент РФ №2597348 по МПК: F16К 3/26, 2016 г.). В первом отверстии, ближайшем к входному отверстию глухой цилиндрической полости, установлен с возможностью возвратно-поступательного движения контактирующий со стенкой первого отверстия по своей наружной поверхности цилиндрический плунжер с жестко установленным в нем приводным штоком, проходящим через сквозной паз в стенке ползуна между первым отверстием и торцем ползуна, при этом в канавках на ползуне, плунжере и цилиндрическом канале размещены эластомерные уплотнения
2
Недостатком этого устройства является незначительная возможность использования, охватывающая СОТР с традиционными жидкими теплоносителями, находящимися под небольшими давлениями. Использование этого устройства в составе СОТР с низкокипящим теплоносителем, например - жидким аммиаком - невозможно из-за значительного усилия сопротивления при перемещении ползуна, поскольку для обеспечения нахождения аммиака в жидком состоянии необходимо поддержание давления теплоносителя в пределах от 10 до 20 кгс/см, вследствие чего осевое усилие на ползуне, вызванное перепадом давлений на нем, составляет от 120 до 240 кгс. Подобная величина усилия исключает возможность перемещения ползуна усилием руки оператора и требует использования механических приспособлений, размещение которых на борту космического летательного аппарата (КЛА) практически невозможно из-за высокой плотности компоновки оборудования и систем на борту КЛА. Также работа с данным устройством небезопасна, ибо при снятии крышки, обеспечивающей доступ к приводному штоку, необходимо фиксировать ползун, нагруженный вышеуказанным осевым усилием, от его вылета из устройства, что повлечет за собой полную разгерметизацию СОТР и возможную травму оператора.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного изобретения, является расширение возможностей использования устройства для перекрытия канала.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство для перекрытия канала, содержащее корпус с глухой цилиндрической полостью и перпендикулярно пересекающим ее цилиндрическим каналом, установленный в полости с возможностью возвратно-поступательного движения контактирующий со стенкой полости по своей наружной поверхности ползун с первым и вторым отверстиями, диаметры которых равны диаметру цилиндрического канала, а их оси и ось цилиндрического канала параллельны и пересекают ось ползуна, при этом расстояние между осями первого и второго отверстий равно ходу ползуна, в первом отверстии, ближайшем к входному отверстию глухой цилиндрической полости, установлен с возможностью возвратно-поступательного движения контактирующий со стенкой первого отверстия по своей наружной поверхности цилиндрический плунжер с жестко установленным в нем приводным штоком, проходящим через сквозной паз в стенке ползуна между первым отверстием и ближайшем к нему торцом ползуна, при этом в канавках на ползуне, плунжере и цилиндрическом канале размещены эластомерные уплотнения, согласно изобретению, введены ходовой винт, ввернутый в выполненное в ползуне и сообщающее второе отверстие с ближайшим к нему торцом ползуна центральное резьбовое отверстие, и установленная на корпусе крышка с центральным отверстием, при этом ходовой винт снабжен прилегающим к его резьбовой части цилиндрическим пояском с диаметром, превышающим наружный диаметр резьбовой части, и прилегающим к пояску заплечиком с выступом под ключ на его торце, в стенке корпуса, образующей дно глухой цилиндрической полости, выполнено сквозное отверстие, в котором размещен цилиндрический поясок ходового винта, между цилиндрическим пояском ходового винта и сквозным отверстием стенки корпуса также размещено эластомерное уплотнение, при этом заплечик ходового винта установлен между внутренним торцом крышки и стенкой корпуса с возможностью вращения, а выступ под ключ проходит через центральное отверстие крышки и выходит за ее наружный торец. Для оптимизации массовых характеристик устройства дополнительно на торце ползуна, ближайшем ко второму отверстию, выполнена проточка, образующая центральный выступ на торце ползуна, а в дне глухой полости - центральная расточка, охватывающая центральный выступ в крайнем, ближайшем к дну глухой цилиндрической полости положении ползуна.
На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения устройства для перекрытия канала, продольный разрез, в открытом положении, на фиг. 2 -то же, вид сверху, крышка условно не показана, на фиг. 3 - то же, в промежуточном положении, на фиг. 4 - то же, в перекрытом положении. На фиг. 5 приведен пример конкретного выполнения устройства по п. 2 формулы изобретения, в открытом положении, на фиг. 6 - то же, в промежуточном положении.
Устройство для перекрытия канала содержит корпус 1 с крышкой 2. В корпусе 1 выполнены глухая цилиндрическая полость 3 и перпендикулярно пересекающий ее цилиндрический канал 4. В полости 3 установлен ползун 5. Ползун 5 контактирует со стенкой 6 полости 3 по своей наружной поверхности 7 с возможностью возвратно-поступательного движения. В ползуне 5 выполнены первое 8 и второе 9 отверстия с диаметром, равным диаметру цилиндрического канала 4. Оси отверстий 8 и 9 и ось канала 4 параллельны и пересекают ось ползуна 5. Расстояние L между осями отверстий 8 и 9 равно ходу h ползуна 5. В первом отверстии 8, ближайшем к входному отверстию 10 цилиндрической полости 3 установлен с возможностью возвратно-поступательного движения цилиндрический плунжер 11, контактирующий со стенкой первого отверстия 8 по своей наружной поверхности 12. Плунжер 11 снабжен с одного торца заходной фаской 13. В плунжере 11 жестко установлен перпендикулярно его оси приводной шток 14, выполненный в виде винта, проходящий через сквозной паз 15 в стенке 16 ползуна 5 между первым отверстием 8 и ближайшими к нему торцем ползуна 5. На внутренней поверхности 17 цилиндрического канала 4 со стороны заходной фаски 13 плунжера 11 выполнена первая канавка 18, в которой размещено первое радиальное эластомерное уплотнение 19 для запирания канала 4 в крайнем положении плунжера 11. На ползуне выполнена вторая канавка 20, в которой размещено второе радиальное эластомерное уплотнение 21. На внутренней поверхности первого отверстия 8 выполнена третья канавка 22, в которой размещено третье радиальное эластомерное уплотнение 23. На наружной поверхности 12 плунжера 11 выполнена четвертая канавка 24, в которой размещено четвертое радиальное эластомерное уплотнение 25. Крышка 2 уплотняет корпус 1 радиальным эластомерным уплотнением 26. В ползуне 5 выполнены перепускные отверстия 27. Устройство содержит также ходовой винт 28, ввернутый в выполненное в ползуне 5 и сообщающее второе отверстие 9 с ближайшим к нему торцом ползуна центральное резьбовое отверстие 29, и установленную на корпусе 1 крышку 30 с центральным отверстием 31. Ходовой винт 28 снабжен прилегающим к его резьбовой части 32 цилиндрическим пояском 33 с диаметром, превышающим наружный диаметр резьбовой части 32, и прилегающим к пояску заплечиком 34 с выступом 35 под ключ на его торце. В стенке 36 корпуса 1, образующей дно глухой цилиндрической полости 3, выполнено сквозное отверстие 37, в котором размещен цилиндрический поясок 33 ходового винта 28. Между цилиндрическим пояском 33 ходового винта 28 и сквозным отверстием 37 стенки 36 корпуса 1 также размещено радиальное эластомерное уплотнение 38. Заплечик 34 ходового винта 28 установлен между внутренним торцом 39 крышки 30 и стенкой 36 корпуса 1 с возможностью вращения, что обеспечивается его посадкой между этими поверхностями с осевым зазором в пределах 0,1÷0,2 мм. Выступ 35 под ключ проходит через центральное отверстие 31 крышки 30 и выходит за ее наружный торец 40. Крышка 30 закреплена на корпусе 1 посредством резьбового соединения и зафиксирована от отвинчивания штифтом 41. Ползун 5 снабжен фиксатором 42 углового положения по отношению к цилиндрической полости 3, выполненном в виде штифта, входящего в паз ползуна 5. Для фиксации плунжера 11 в крайнем положении используется ограничитель 43, крепящийся винтом 44. Для оптимизации массовых характеристик устройства в случае выполнения устройства по п. 2 формулы дополнительно на торце ползуна 5, ближайшем ко второму отверстию 9, выполнена проточка 45, образующая центральный выступ 46 на торце ползуна 5, а в дне глухой полости 3 - центральная расточка 47, охватывающая центральный выступ 46 в крайнем, ближайшем к дну глухой цилиндрической полости 3 положении ползуна 5.
Устройство работает следующим образом: в исходном положении (см. фиг. 1) части цилиндрического канала 4 сообщены вторым отверстием 9, ползун 11 находятся в крайнем верхнем (по фиг. 1) положении. При этом плунжер 11 размещен внутри отверстия 9 ползуна 5 и не выходит за пределы цилиндрической полости 3. Ползун 5 зафиксирован в указанном положении, так как в его резьбовое отверстие 29 ввернут ходовой винт 28, а стандартное резьбовое соединение является самотормозящим, т.е. осевое усилие на ползуне 5 не может привести к вывинчиванию ходового винта 28. Жидкость свободно проходит через цилиндрический канал 4. При необходимости перекрыть канал 4 производят инструментом вращение ходового винта 28 за выступ 35 под ключ. Вращение винта 28 при его неизменном осевом положении (обеспечивается нахождением заплечика 34 между торцом стенки 36 и внутренним торцом 39 крышки 30) приводит к осевому перемещению ползуна 5 вниз, т.к. ползун не может вращаться вместе с винтом из-за фиксатора 42 углового положения (см. фиг. 2). Когда ползун 5 вместе с плунжером 11 опускают до упора вниз, то части цилиндрического канала 4 сообщаются с краями первого отверстия 8 (см. фиг. 3, 4). При этом конец ходового винта 28 размещается внутри второго отверстия 9, через которое в данном положении жидкость не протекает. При движении ползуна жидкость, находящаяся под ползуном 5, перетекает через перепускные отверстия 27 в отверстия 9, 8 и правую (по иллюстрациям) часть канала 4, не препятствуя движению ползуна вниз. Совмещение оси цилиндрического канала 4 с осью плунжера 11 в угловом направлении обеспечивается фиксатором углового положения 42. Совмещение оси плунжера 11 и оси цилиндрического канала 4 в вертикальном направлении обеспечивается благодаря тому, что межосевое расстояние L между отверстиями 8 и 9 равно величине хода ползуна h. Теперь плунжер 11 имеет возможность смещения вправо. Его смещают вправо приложением горизонтального усилия к приводному штоку 14 (см. фиг. 4). При этом заходная фаска 13 обеспечивает равномерное сжатие первого радиального уплотнения 19 и вход в него наружной поверхности плунжера 11. Конечное положение устройства (цилиндрический канал 4 перекрыт плунжером 11) показано на фиг. 4. Плунжер 11 фиксируют с помощью закрепления винтом 44 ограничителя 43, который упирается в приводной шток 14 и не дает ему смещаться влево, поэтому закрытое положение устройства обеспечивается. Сам же ползун 5 зафиксирован от поступательных перемещений нахождением плунжера 11 как в цилиндрическом канале 4, так и в отверстии 8. При перемещениях ползуна 5 входное отверстие 10 уплотнено относительно канала 4 вторым радиальным уплотнением 21, а также третьим и четвертым радиальными уплотнениями 23 и 25 соответственно, отделяющими сквозной паз 15 от обеих частей цилиндрического канала 4. Это дает возможность оператору перемещать приводной шток 14, при снятой крышке 2, при этом обеспечивается внешняя герметичность устройства. Со стороны ходового винта 28 внешняя герметичность обеспечивается уплотнением 38, уплотняющим зазор между пояском 33 и отверстием 37. Конкретные размеры мест расположения третьей и четвертой канавок 22 и 24 соответственно, а также геометрические размеры ползуна и плунжера определяются методами обычного проектирования. Расположение третьего радиального уплотнения 23 в канавке 22, выполненной на ползуне, объясняется тем, что при первоначальной установке плунжера 11 в отверстие 8, через уплотнение 23 проходят только фаска 13 и гладкая поверхность плунжера 11. В случае же, если бы канавка 22 выполнялась на плунжере 11, при его монтаже уплотнение 23 пересекало бы сквозной паз 15, что создавало бы возможность повреждения уплотнения 23 острыми кромками паза 15. Аналогично, расположение четвертого радиального уплотнения 25 в канавке 24, выполненной на плунжере 11, объясняется тем, что при первоначальной установке плунжера 11 в отверстие 8, уплотнение 25 контактирует только с гладкой поверхностью отверстия 8. В случае же, если бы канавка 24 выполнялась на ползуне 5, при монтаже плунжера 11 уплотнение 25 пересекалось бы отверстием под приводной шток 14, что создавало бы возможность повреждения уплотнения 25 острыми кромками этого отверстия. При необходимости открыть канал 4, описанные выше операции производят в обратном порядке. При этом фиксация открытого положения устройства (фиг. 1) осуществляется неизменным положением ходового винта 28 вследствие самоторможения в резьбе. В случае применения устройства в условиях сильных вибраций, присущих КЛА при выводе на орбиту, ходовой винт может быть застопорен одним из известных способов стопорения, например, стопорением проволокой через отверстия в выступе под ключ (не показаны). В случае использования заявленного устройства в составе СОТР КЛА, где вопросы снижения массы играют важную роль, целесообразно выполнять устройство по п. 2 формулы изобретения, где несколько видоизменена форма ползуна - за счет выполнения проточки 45, образующей выступ 46, снижена масса ползуна 5, а выполнение центральной расточки 47 в дне глухой полости 3 позволяет снизить ее глубину. Общий вертикальный размер сохраняется, но уменьшается длина корпуса 1 с большим диаметром, что приводит к снижению его массы. Устройство по п. 2 работает точно таким же образом, как и приведенное на фиг. 1-4. Наличие на ползуне 5 выступа 46 принципиально важно для выполнения в ползуне резьбового отверстия 29 необходимой длины - в случае малой толщины стенки между вторым отверстием 9 и ближайшем к нему торцом ползуна 5 и начальном положении ходового винта 28 ввернутым в резьбовое отверстие 29 ползун не сможет достичь положения, при котором отверстие 8 будет соосно каналу 4, поскольку конец ходового винта 28 упрется в цилиндрическую поверхность второго отверстия 9.
В результате использования заявленного изобретения достигается существенное снижение усилия, необходимого для перемещения ползуна, поскольку ходовой винт 28 работает как винтовой домкрат. Применив известные в технике формулы (И.Я. Левин, «Справочник конструктора точных приборов», М. «Машиностроение», 1964, стр. 237) при исходных данных: усилие, необходимое для перемещения ползуна Р=240 кгс, резьба ходового винта прямоугольная диаметром d=2r=12 мм и шагом s=2 мм, коэффициент трения в винтовом зацеплении f=0,1 (работа со смазкой перекачиваемой жидкостью) и длина ключа, вращающего выступ под ключ, L=160 мм, получим, что усилие на ключе Q, необходимое для преодоления усилия Р на ползуне, составит величину
Q=(r/L)P*tg(ψ+ρ), где
ψ=arctg(s/πd)=3,04° - угол подъема винтовой линии,
ρ=arctg(f)=5,71° - угол трения.
Подставив остальные значения, получим
Q=(6/160)*240*tg(3,04°+5,71°)=1,39 кгс, что вполне доступно для вращения инструмента от руки. При этом важно, что ходовой винт все время работает на растяжение (сила от давления теплоносителя на ползун все время направлена вверх), что исключает потерю устойчивости и перекоса ходового винта. Вследствие снижения усилия при работе с устройством существенно расширяются возможности его применения в перспективных СОТР с низкокипящим теплоносителем.
Получение данного технического результата позволяет рекомендовать заявленное изобретение к внедрению в изделиях авиационной и космической техники.