МАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ КЛАПАНОМ
MAGNETIC DEVICE OF VALVE CONTROL

Магнитное устройство управления клапаном предназначено для управления клапанами, осуществляющими перекрытие жидкостных и газовых магистралей. Изобретение относится к области магнитных систем, в частности к конструкциям устройств управления бессальниковыми запорными клапанами с ручным или дистанционным механическим, а также пневматическим и гидравлическим управлением. Они могут быть использованы в качестве основных или дополнительных устройств к существующим электромагнитным системам, где требуется повышенная безопасность и надежность.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому магнитному устройству является запорное устройство по SU 806965 А1, F16K 31/08, 23.02.1981.
Анализ работы существующего аналога показывает на ряд недостатков, а именно механизм управления находится в области рабочего флюида, что существенно снижает его срок службы. Сжатый воздух непосредственно управляет затвором запорного устройства путем его подачи под давлением в подпоршневую полость цилиндра. Через уплотнения в поршневой группе он может попадать в рабочую полость запорного устройства, а следовательно, в транспортируемый флюид, что указывает на то, что механизм управления не обеспечивает герметичность запорного устройства. Постоянные магниты выполняют функцию фиксирующих, а не управляющих элементов механизма, сам же механизм управления не может быть трансформирован на другой серийно выпускаемый клапан или запорное устройство. В описании аналога указано, что он может быть использован в различного рода воздуховодах, а следовательно, не может быть использован с более вязкими флюидами, как например: вода и светлые нефтепродукты, а также запорное устройство не позволяет устанавливать диапазон давления срабатывания клапана на открытие.
Задачей изобретения является применение магнитного устройства вместо электромагнитной катушки для управления серийно выпускаемыми бессальниковыми клапанами, без их доработки с любыми транспортируемыми флюидами, указанными в технической документации клапана, а также работа магнитных устройств в любых средах и применение их в роли регулирующих устройств. В результате реализации данной задачи повышается надежность и безопасность трубопроводных систем и резервуаров, где применение электричества опасно, невозможно или нецелесообразно.
Поставленная задача достигается тем, что вместо электромагнитной катушки клапана установлено магнитное устройство с применением постоянного магнита.
Техническим результатом является разработка устройства, позволяющего заменить электромагнитную систему управления клапаном на магнитную. Указанный технический результат достигается созданием магнитного устройства управления клапаном, расположенного на неподвижном сердечнике клапана и включающее в себя постоянный магнит, и выполненные из немагнитного материала корпус, каретку, ось, возвратную пружину, поворотный привод, приводимый в движение внешней силой. Особенностью изобретения является то, что постоянный магнит, закрепленный на каретке и определенно расположенный по отношению к стопору неподвижного сердечника так, чтобы магнитное поле максимально намагничивало стопор, и перемещается по траектории с эффективным изменением влияния магнитного поля постоянного магнита на стопор неподвижного сердечника, путем изменения направления магнитного потока постоянного магнита без увеличения сил трения в паре скольжения подвижного и неподвижного сердечников.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - чертеж клапана без электромагнитной катушки в нормально закрытом положении, на фиг.2 показано расположение постоянного магнита (7), при котором магнитное поле постоянного магнита (7) максимально намагничивает стопор (3), на фиг.3 - вид по А-А фиг.2, на фиг.4 показано расположение постоянного магнита (7), при котором так называемая средняя линия (С) нейтральной области постоянного магнита (7) проходит через центр стопора (3), стопор (3) не намагничен, на фиг.5 - вид по А-А фиг.4, на фиг.6 показан вариант магнитного устройства управления клапаном в разрезе - вид сверху, в масштабе 1:1, и траектория перемещения (Е) постоянного магнита (7), установленного на каретке (9), на фиг.7 - конструкция магнитного устройства в положении постоянного магнита (7) с максимальным намагничиванием стопора (3), состояние клапана - открыт, на фиг.8 - разрез по А-А на фиг.7, на фиг.9 - конструкция магнитного устройства в положении постоянного магнита (7) с минимальным намагничиванием стопора (3) состояние клапана - закрыт, на фиг.10 - разрез по А-А на фиг.9, на фиг.11 - магнитное устройство в сборе с клапаном.
На фиг.1 представлен чертеж отсечного бессальникового клапана, состоящий из неподвижного сердечника (1), подвижного сердечника (2), стопора (3), возвратной пружины (4), приводного механизма (5), гайки (6).
Магнитное устройство управления клапаном, расположенное на неподвижном сердечнике (1) фиг.1 клапана и включающее в себя постоянный магнит (7) фиг.7, а также выполненные из немагнитного материала корпус (8), каретку (9), ось (10), пружину (11), поворотный привод (12), который приводится в движение внешней силой F, отличается тем, что постоянный магнит (7), закрепленный на каретке (9) и определенно расположенный к стопору (3) неподвижного сердечника (1), максимально намагничивая его, перемещается по траектории (Е) фиг.6, с эффективным изменением влияния магнитного поля на стопор (3), путем изменения направления магнитного потока постоянного магнита (7) фиг.2, фиг.4, без увеличения сил трения в паре скольжения подвижного сердечника (2) фиг.7, и неподвижного сердечника (1).
Устройство работает следующим образом. На фиг.2 показано расположение постоянного магнита (7), при котором магнитное поле постоянного магнита (7) максимально намагничивает стопор (3). Магнитный поток постоянного магнита (7) направлен к стопору (3) и замыкается на стопоре (3). На фиг.4 показано расположение постоянного магнита (7), при котором магнитный поток постоянного магнита (7) направлен вдоль стопора, так, что средняя линия (С) нейтральной области постоянного магнита (7) проходит через центр стопора (3). Из средней линии (С), проведенной через так называемую нейтральную область постоянного магнита (7), не выходят и в нее не входят линии индукции. Также постоянный магнит (7) удален от стопора (3) на расстояние (А), которое выбирается из требуемой минимальной намагниченности стопора (3) магнитным полем вблизи средней линии (С) нейтральной области постоянного магнита (7). Расстояние (А) принимается равной или более значения толщины (В) постоянного магнита (7), по которой он намагничен и обеспечивает намагниченность стопора (3) практически равной нулю.
Для выполнения результатов взаимодействий постоянного магнита (7), фиг.2 и 4, на стопор (3) используется каретка (9) фиг.6, 8, которая определенно располагает постоянный магнит (7) к стопору (3), как показано на фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5, и создает траекторию перемещения (Е) фиг.6 постоянного магнита (7).
Каретка (9), фиг.6, имеет ось вращения (10), смещенную от центра каретки (9), в результате чего каретка (9) осуществляет вращение, при котором постоянный магнит (7), определенно расположенный к стопору (3), перемещается вдоль стопора (3) по траектории (Е) фиг.6, с эффективным изменением влияния магнитного поля постоянного магнита (7) на стопор (3).
Постоянный магнит (7), фиг.7 и 8, на каретке (9) из положения, когда силовые линии магнитного поля постоянного магнита (7) фиг.2 замыкаются на магнитопроводе стопора (3) и максимально намагничивают его, в результате чего подвижный сердечник (2) фиг.7, под действием намагниченного стопора (3) создает усилие, сжимая возвратную пружину (4) подвижного сердечника (2), фиксируется к стопору (3), при этом усилие, создаваемое возвратной пружиной (4) на приводной механизм (5) фиг.1, равно нулю, клапан открыт, разворачивается поворотным приводом (12) фиг.10 под действием внешней силы F. В этом положении, когда средняя линия (С) нейтральной области постоянного магнита (7), где влияние магнитного поля на стопор (3) отсутствует, совпадет с центром стопора (3), постоянный магнит (7) отходит от стопора (3) на расстояние (А). На этом расстоянии магнитное поле постоянного магнита (7), расположенное вблизи средней линии (С) нейтральной области магнита (7), оказывает минимальное влияния на стопор (3), при этом намагниченность стопора (3) практически равна нулю, что приводит к расфиксации подвижного сердечника (2) фиг.9 от стопора (3), а усилие возвратной пружины (4) на приводной механизм (5) фиг.1 становится расчетным, клапан закрыт.
Определенные расположения магнита показаны на фиг.2, 3, 4 и фиг.5, а траектория перемещения (Е) постоянного магнита (7) на фиг.6.
К определенному расположению постоянного магнита (7) относятся требования: постоянный магнит (7), фиг.3 и 5 должен располагаться не ниже уровня (Д) стопора (3); постоянный магнит (7), фиг.2, должен располагаться симметрично по отношению к стопору (3), максимально намагничивать его; постоянный магнит (7) фиг.4 должен быть удален от стопора (3) на расстояние (А), не менее величины ширины (В) постоянного магнита (7), по которой он намагничен, а средняя линия (С) нейтральной области постоянного магнита (7) должна совпадать с центром стопора (3). Определенное расположение магнита (7), фиг.2, 3, 4, 5, к стопору (3) вызваны не только требованием к достижению максимального гистерезиса намагниченности стопора (3), но и требование к силам трения, которые могут возникнуть в паре скольжения подвижного сердечника (2) фиг.1 и неподвижного сердечника (1), в результате отклонения от определенного расположения постоянного магнита (7) к стопору (3), а именно в случае, если расположить постоянный магнит (7) ниже уровня (Д) фиг.3 стопора (3) (на фиг.3 смещение постоянного магнита (7) ниже уровня (Д) не показаны) возникают силы взаимодействия между постоянным магнитом (7) и подвижным сердечником (2) фиг.1, между которыми расположен неподвижный сердечник (1), в этом случае возникают силы трения в паре скольжения подвижного сердечника (2) фиг.1 и неподвижного сердечника (1). Определенное расположение магнита (7), фиг.2, 3, 4, 5, и его перемещение по траектории (Е) фиг.6 с эффективным изменением влияния магнитного поля на стопор (3), в результате чего достигается максимальный гистерезис намагниченности стопора (3), позволяют снизить силы трения в паре скольжения подвижного сердечника (2) фиг.1 и не подвижного сердечника (1) до величины сил трения, возникающих в электромагнитных системах с применением электромагнитной катушки. Электромагнитная система с применением электромагнитной катушки на чертежах не указаны.
На фиг.11 представлено устройство магнитной системы в сборе с клапаном. Корпус устройства управления клапаном (8) устанавливается вместо электромагнитной катушки клапана (13) (электромагнитная катушка на чертеже не указана) и фиксируется гайкой (6).
Магнитное устройство управления клапаном подготовлено к производству, проведены приемочные испытания. Магнитное устройство управления клапаном испытывалось на надежность совместно с серийно выпускаемыми бессальниковыми клапанами разных моделей и производителей. Результаты испытаний показали, после 640000 циклов (открыто - закрыто) управления клапаном магнитным устройством, износ элементов механизма клапана был меньше, по сравнению с применением электромагнитных систем с использованием электромагнитной катушки переменного тока, это связано с тем, что пара скольжения подвижного и не подвижного сердечников клапана нагревается во время работы и испытывает резонансные колебания частотой переменного тока во время включения и работы.
Испытания опытных образцов проводились в системе водоснабжения с рабочим давлением 6 атм на серийных двухходовых отсечных бессальниковых мембранных клапанах с условным проходом Ду-15 и Ду-20 непрямого действия с принудительным поднятием диафрагмы. При рабочем ходе подвижного сердечника клапана 3,5 мм и усилии возвратной пружины на диафрагму 450 г применялся постоянный магнит сплава Nd-Fe-В (неодим-железо-бор), размерами 42×32×10 мм и 38×28×10, силой 190 мТл. Удерживаемая сила подвижного сердечника в режиме «клапан открыт» фиг.7 составляет 8-9 кг. Остаточная намагниченность стопора в режиме «клапан закрыт» фиг.9 практически равна 0.
Также проверялась работа узлов клапана при испытании устройства с постоянными магнитами больших размеров и повышенной намагниченности, а именно 22×22×22 мм, намагниченность - 230 мТл, 25×27×20 мм, намагниченность - 260 мТл, 42×32×20 мм, намагниченность - 270 мТл, и 40×40×23 мм, намагниченность - 320 мТл. Результаты показали, что тяговые усилия подвижного сердечника увеличивались без увеличения сил трения в паре скольжения подвижного и не подвижного сердечников, а остаточная намагниченность стопора (3) фиг.10 оставалась на том же уровне при соблюдении определенного расположения постоянного магнита (7) и зависела от точности совмещения средней линии (С) нейтральной области постоянного магнита (7) каретки (9) с центром стопора (3).
Таким образом, данное изобретение позволяет исключить необходимость применения электроэнергии в управлении клапаном, тем самым повысить надежность и безопасность при эксплуатации. Магнитное устройство управления клапаном не нагревает его корпус, а следовательно, флюид, проходящий через него, что позволяет использовать его в любых средах, а также в агрессивных. Магнитное устройство управления клапаном может работать в погруженном состоянии в жидкостях с определенной вязкостью. Одно из значимых достоинств состоит в том, что устройство может быть совмещено с пневматическим, гидравлическим, механическим управлением, а также позволяет устанавливать диапазон давления срабатывания клапана на открытие. Установка устройства не требует конструктивных изменений клапана, тем самым не нарушает его герметичность.