ГАСИТЕЛЬ ВИБРАЦИЙ ДЛЯ УСТРОЙСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
VIBRATION DAMPER FOR FLUID MEDIUM CONTROL DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем плане относится к устройствам регулирования текучей среды и более конкретно к гасителю вибраций, предназначенному для применения в комплекте с указанными устройствами.
Уровень техники
Для регулирования давления и/или потока рабочих текучих сред в производственных установках часто используют соответствующие регуляторы. Одним из традиционных типов таких устройств является редукционный (понижающий давление) регулятор с прямым приводом. Обычно такие регуляторы имеют вход, через который поступает текучая среда (жидкость, газ, пар и т.д.), относительно высокое давление которой регулируют при этом таким образом, чтобы на выходе оно было понижено. Во многих регуляторах с прямым приводом к затвору или к какому-то другому перемещаемому компоненту, регулирующему поток, присоединена подпружиненная диафрагма, на которую воздействует давление текучей среды в камере, соединяющей вход и выход.
Перемещения подпружиненной диафрагмы вызывают соответствующие смещения затвора или другого компонента, регулирующего поток, относительно седла (или отверстия), расположенного между входом и камерой. Точнее, при повышении давления в камере и, таким образом, на выходе диафрагма заставляет компонент, регулирующий поток текучей среды, ограничивать его или полностью перекрывать, не давая протекать от входа в камеру. Тем самым достигается понижение давления в камере и на выходе регулятора. Напротив, при понижении давления в камере и на выходе диафрагма заставляет указанный компонент уменьшить ограничение потока, протекающего от входа в камеру, увеличивая тем самым давление в камере и на выходе. За счет изменения усилия, прикладываемого к диафрагме пружиной, можно настроить регулятор на контрольную точку или на заданное равновесное состояние, позволяющее получить желаемое давление на выходе, которое остается, по существу, постоянным, несмотря на колебания давления на входе.
В определенных приложениях регулирования потока у некоторых регуляторов давления, использующих прямой привод, давление на выходе может изменяться (например, в виде дрейфа или смещения) или проявлять нестабильность (например, осциллировать). Одним из самых проблематичных является приложение, требующее, чтобы конструкция регулятора отвечала санитарно-гигиеническим требованиям. В таких приложениях (в частности, при приготовлении пищевых продуктов и напитков, а также в фармацевтических и биотехнологических производствах) часто требуется регулятор, позволяющий на месте производить тщательную очистку его внутренних компонентов, контактирующих с регулируемой текучей средой. В результате во многих конструкциях регуляторов, отвечающих указанным требованиям, используют диафрагму, которая подвергается воздействию потока регулируемой текучей среды по всей своей поверхности. Тем самым сводится к минимуму количество складок или других зон, очистка которых на месте во время санитарной процедуры может оказаться затруднительной. Однако при таком положении диафрагмы по отношению к регулируемой текучей среде вся площадь диафрагмы подвергается воздействию турбулентностей, часто возникающих в потоке во внутреннем объеме регулятора. В результате может оказаться, что диафрагма реагирует на турбулентность потока чрезмерным образом, а это вызывает нежелательные флуктуации положения компонента, регулирующего поток (например, затвора), или его нестабильность, причем также флуктуирует давление на выходе регулятора.
Для уменьшения нежелательных флуктуаций и/или нестабильности компонента, регулирующего поток, и давления на выходе некоторые известные регуляторы текучей среды снабжены гасителями вибраций. Часть таких гасителей имеет конфигурацию в виде вкладыша или уплотнения, охватывающего шток (стержень), присоединенный к затвору или к какому-то другому компоненту, регулирующему поток, причем указанный гаситель контактирует со штоком (стержнем) фрикционным образом. Такой фрикционный контакт понижает чувствительность регулятора к турбулентности потока и/или к воздействию других источников вибрации, которые могли бы нежелательным образом повлиять на регулирование давления на выходе. В другом известном гасителе вибраций использовано кольцевое уплотнение, помещенное между корпусом регулятора и расположенным ниже подпятником пружины. Однако многие из этих известных гасителей требуют применения смазочного материала, который нежелателен в приложениях, использующих отвечающий санитарно-гигиеническим требованиям регулятор, поскольку такие материалы могут притягивать и задерживать грязь и другие частицы, а очистить регулятор в степени, необходимой для удовлетворения требованиям указанных приложений, касающимся чистоты, трудно или вообще невозможно. Кроме того, фрикционные параметры и, таким образом, характеристики гашения у многих из этих гасителей вибраций существенно изменяются в зависимости от температуры, т.е. трудно обеспечить точность и стабильность регулировки в приложениях, в которых регулятор подвергается воздействию относительно высокой температуры и/или температуры, меняющейся в широком интервале.
Раскрытие изобретения
В одном из вариантов осуществления изобретения, приведенном в качестве примера, устройство регулирования текучей среды содержит корпус и поршень, причем указанный поршень имеет наружную боковую поверхность и сконфигурирован с возможностью реагировать на давление внутри корпуса. В результате такой реакции изменяется положение компонента, регулирующего поток текучей среды, внутри корпуса. Кроме того, в указанном устройстве имеется присоединенное к корпусу направляющее кольцо, снабженное отверстием, конфигурация которого позволяет ввести в него, по меньшей мере, участок поршня. Устройство снабжено также виброгасителем, который помещен между направляющим кольцом и поршнем и вступает во фрикционный контакт с наружной боковой поверхностью поршня.
В другом примере гаситель вибраций, предназначенный для применения внутри устройства регулирования текучей среды, содержит направляющее кольцо, которое имеет внутреннюю и наружную боковые поверхности, а также фланец, выступающий от наружной боковой поверхности и сконфигурированный с возможностью его зажима между частями устройства. Кроме того, направляющее кольцо снабжено опорным элементом, выполненным заодно с внутренней боковой поверхностью. Данный элемент сконфигурирован с возможностью удерживания деформируемого кольца во фрикционном контакте с поршнем или перемещаемым подпятником пружины.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 в сечении представлен пример регулятора давления, снабженного гасителем вибраций, тоже приведенным в качестве примера и сконструированным согласно положениям настоящего изобретения.
На фиг.2 в сечении и в увеличенном масштабе представлен фрагмент гасителя вибраций, показанного на фиг.1.
На фиг.3 в перспективном изображении представлен другой фрагмент гасителя вибраций, показанного на фиг.1 и 2.
Осуществление изобретения
Представленный в настоящем описании в качестве примера гаситель вибраций можно с успехом применять во внутреннем объеме регуляторов давления потока (например, в редукционных регуляторах, регуляторах противодавления и т.д.) для понижения или полного гашения вибрации и/или турбулентности, индуцированных флуктуациями, осцилляциями, нестабильностью и другими скачками давления на выходе. Более конкретно, предлагаемый гаситель вибраций содержит виброгаситель, т.е. деформируемое кольцо или какой-то другой компонент, гасящий вибрации и вступающий во фрикционный контакт с поршнем и/или с перемещаемым подпятником пружины, которые, в свою очередь, присоединены к перемещаемому компоненту, регулирующему поток во внутреннем объеме регулятора давления (например, к затвору). В представленном примере виброгаситель (деформируемое кольцо или какой-то другой компонент, гасящий вибрации) представляет собой внутреннюю пружину, по меньшей мере, частично окруженную полимерной оболочкой, чехлом или покрытием. Указанные внутренняя пружина и оболочка функционируют совместно, прикладывая к поверхности поршня или перемещаемого подпятника пружины относительно постоянное или, по существу, постоянное фрикционное усилие. При этом постоянство приложенного усилия сохраняется в относительно широком температурном интервале. Далее, в отличие от некоторых известных гасителей вибраций, при применении полимерной оболочки не нужна смазка компонента, гасящего вибрации, т.е. исключается скапливание грязи и других частиц. Отпадают также и другие проблемы, связанные с использованием смазочных материалов внутри регулятора, что особенно важно для регуляторов, предназначенных для приложений, отвечающих санитарно-гигиеническим требованиям.
Кроме того, в отличие от некоторых известных гасителей вибраций, представленный в настоящем описании гаситель снабжен направляющим кольцом, в отверстие которого вводится поршень или перемещаемый подпятник пружины. В описанном примере указанное кольцо помещено между корпусом регулятора и наружной боковой поверхностью поршня или перемещаемого подпятника пружины и имеет опорный или какой-то другой подходящий конструктивный элемент, предназначенный для удерживания деформируемого кольца или какого-то другого компонента, гасящего вибрации, во фрикционном контакте с наружной боковой поверхностью поршня или указанного подпятника.
В рассматриваемом примере направляющее кольцо, кроме того, снабжено фланцем, выступающим из наружной боковой поверхности и сконфигурированным с возможностью его зажима в корпусе между его верхней (первой) частью (например, кожухом для пружины) и нижней (второй) частью (например, картером). Кроме участия фланца в прикреплении направляющего кольца к корпусу регулятора он способствует также надежному прижатию диафрагмы к указанному корпусу. Далее, в описанном примере направляющее кольцо имеет стопор, выполненный заодно с ним и ограничивающий ход поршня или перемещаемого подпятника пружины, предотвращая тем самым чрезмерное смещение или продвижение диафрагмы.
Хотя представленный в настоящем описании гаситель вибраций предназначен для использовании регулятора в приложении, ограниченном санитарно-гигиеническими требованиями, предлагаемый гаситель, а также связанные с ним конструктивные решения можно альтернативным образом применять и в любом другом типе регулятора, клапана или, более широко, в любом другом типе устройств регулирования текучей среды с целью понижения или полного гашения нежелательных флуктуаций, осцилляций и/или любых других изменений давления и/или потока на выходе.
На фиг.1 в сечении в качестве примера представлен регулятор 100 давления, снабженный гасителем 102 вибраций, сконструированным в соответствии с изобретением и также приведенным только в качестве примера. Конфигурация указанного регулятора позволяет применять его для контроля или регулирования давления и/или потока рабочей текучей среды (жидкости, газа и т.д.) в рамках технологического процесса, требующего соблюдения санитарно-гигиенических требований во внутреннем объеме регулятора 100. Например, указанному регулятору можно придать конфигурацию, отвечающую регулированию давления и/или потока текучей среды на установке для обработки пищевых продуктов, фармацевтической установке, а также технологической или обрабатывающей установке любого другого типа, работающей с текучими средами, требующими соблюдения санитарно-гигиенических требований во внутреннем объеме регулятора.
Регулятор 100 содержит корпус 104, состоящий из первой (верхней) части 106 и второй (нижней) части 108. Указанные части можно определить соответственно, как кожух для пружины и картер. Предусмотрена возможность удерживать части 106 и 108 в виде единого целого с использованием зажима 109 или любого другого подходящего крепежного механизма (или иного технического приема). Картер 108 имеет вход 110 и выход 112, сообщающиеся между собой через камеру 114. Перемещаемый компонент 116, регулирующий поток (в данном примере указанным компонентом является затвор), установлен во внутреннем объеме картера 108 регулятора 100 с возможностью смещения относительно отверстия или седла 118 в зоне у границы входа 110 и камеры 114. Тем самым осуществляется регулировка потока поступающей текучей среды, т.е. контроль давления в указанной камере. К затвору 116 присоединена диафрагма 119, подвергающаяся воздействию текучей среды, находящейся под давлением в камере 114. Как более подробно будет описано далее, когда в указанной камере изменяется давление текучей среды, диафрагма 119 вынужденно прогибается по направлению к седлу 118 или от него, в результате чего за счет смещения затвора 116 между ним и седлом увеличивается или уменьшается зазор 120. Тем самым осуществляется регулировка потока поступающей текучей среды, т.е. контроль давления в камере 114 и на выходе 112.
Кроме того, регулятор 100 содержит пружину 122, расположенную между ее верхним подпятником 124 и поршнем 126, причем указанный поршень снабжен вторым (нижним) подпятником 128 пружины. Конструктивным деталям поршня придана конфигурация, позволяющая выполнять несколько функций. В частности, поршень 126 снабжен фиксирующим элементом 128 в виде подпятника, предназначенного для введения в него и удерживания конца пружины 122. В дополнение к этому поршень прикреплен к затвору 116 и образует жесткую опору для диафрагмы 119, обеспечивая таким образом плоское состояние ее поверхности, воспринимающей давление текучей среды в процессе функционирования регулятора 100. В такой конструкции на изменение давления во внутреннем объеме корпуса 104 (например, в камере 114) поршень 126 реагирует, по существу, линейным смещением, соответственно регулируя положение затвора 116 относительно седла 118. Поршень имеет также наружную боковую поверхность 130, которая, как будет более подробно показано ниже, находится во фрикционном контакте с виброгасителем 132.
Гаситель 102 вибраций снабжен направляющим кольцом 134, причем конфигурация отверстия 136 кольца позволяет ввести в него, по меньшей мере, участок поршня 126. Указанное кольцо содержит фланец 138, выступающий наружу от отверстия 136, причем конфигурация фланца позволяет зажать или захватить его между частями 106 и 108 корпуса 104. Фланец 138 имеет также относительно большую плоскую поверхность, которая служит для плотного зажатия диафрагмы 119 между частями 106 и 108 корпуса с целью предотвращения или сведения к минимуму возможности выскальзывания диафрагмы 119 из пространства между указанными частями и/или утечки текучей среды из камеры 114 по периметру указанной диафрагмы в кожух для пружины (т.е. в верхнюю часть 106 корпуса).
На фиг.2 в сечении и в увеличенном масштабе представлен фрагмент гасителя 102 вибраций, показанного на фиг.1. Из чертежа видно, что внутри отверстия 136 направляющее кольцо 134 имеет опорный элемент 140, удерживающий виброгаситель 132 между поршнем 126 и кольцом 134. В результате виброгаситель 132 находится в регулируемом фрикционном контакте с наружной боковой поверхностью 130 поршня. На фиг.3 участок виброгасителя 132, показанного на фиг.1 и 2, представлен в перспективном изображении и в разрезе.
В приведенном примере виброгаситель 132 содержит внутренний подпружинивающий компонент 142, который, по меньшей мере, частично окружен самосмазывающимся компонентом 144 в виде оболочки, чехла или капсулы. В одном из примеров подпружинивающий компонент 142 представляет собой пружину, конфигурация которой позволяет раздвигать или отталкивать друг от друга стороны 146 и 148 оболочки, приводя тем самым сторону 146 во фрикционный контакт с поверхностью 130. Кроме того, в данном примере оболочка 144 изготовлена из полимерного материала, обеспечивающего возможность контакта между виброгасителем 132 и поверхностью 130 поршня 126, причем с желаемым и регулируемым коэффициентом трения в относительно широком температурном интервале. Одним из серийно выпускаемых продуктов, который можно использовать для изготовления виброгасителя 132, является изделие, поставляемое под маркой OmniSeal фирмой Saint-Gobain, Performance Plastics (США). В частности, для этого пригодно уплотнение OmniSeal APS модели 750. Однако предусмотрена возможность применять вместо него и другие типы уплотнений или элементов, гасящих вибрации. Другими словами, виброгаситель 132 можно выполнить, используя любой деформируемый компонент, который имеет форму кольца и обеспечивает по отношению к поршню 126 коэффициент трения, достаточный для полного исключения незапланированных или каких-то других нежелательных перемещений или вибраций поршня и, таким образом, вредных воздействий на регулируемое давление на выходе регулятора 100.
Хотя в рассматриваемом конкретном примере виброгаситель 132 выполнен с применением серийного уплотнения, фактически он не подвергается воздействию текучей среды, находящейся под давлением и, таким образом, при работе регулятора 100, по существу, не зависит от перепада давлений наружной текучей среды. Другими словами, хотя в описываемом примере в виброгасителе 132 использовано серийное уплотнение, он не рассчитан на выполнение герметизирующей функции. Вместо этого его конфигурация выбрана из условия обеспечения регулируемого коэффициента трения относительно поршня 126, чтобы уменьшить или полностью погасить вибрации и/или другие непредусмотренные перемещения поршня в процессе функционирования регулятора 100. В результате виброгаситель 132 уменьшает или полностью исключает нежелательные флуктуации (например, осцилляции) давления в камере 114 (см. фиг.1) и, следовательно, регулируемого давления на выходе регулятора 100.
На фиг.2 показано, что направляющее кольцо 134 имеет, кроме того, стопорную поверхность (стопор) 150, конфигурация которого обеспечивает его контакт с выступающим наружу фланцем 152 поршня 126. Посредством указанного контакта ограничивается перемещение (ход) поршня в сторону седла 118. Как можно видеть из фиг.1, ход поршня в направлении от седла 118 сходным образом ограничен поверхностью 154, находящейся внутри той части корпуса 104, которая представляет собой кожух 106 для пружины. До начала и/или в процессе функционирования регулятора 100 пружину 122 предварительно нагружают путем исходной регулировки болта 156, посредством которого устанавливают положение верхнего подпятника 124 пружины. В частности, поворот указанного болта по часовой стрелке перемещает подпятник 124 по направлению к нижнему подпятнику 128 пружины, увеличивая таким образом посредством регулятора 100 давление на выходе. Наоборот, поворот болта 156 против часовой стрелки отодвигает подпятник 124 от нижнего подпятника 128, понижая таким образом посредством регулятора 100 давление на выходе. В любом случае болт 156 применяют для того, чтобы задать регулируемое давление на выходе регулятора 100. После исходной регулировки болта 156 можно затянуть контргайку 158 относительно корпуса, гарантируя тем самым, что положение болта и, следовательно, отрегулированный (заданный) уровень давления на выходе после его установки или исходного регулирования не меняются.
В процессе функционирования регулятора 100 диафрагма 119 и соответственно поршень 126 с затвором 116 реагируют на изменения давления в камере 114. Специфика такой реакции заключается в том, что, когда давление в камере 114 увеличивается выше равновесного (заданного) уровня, все перечисленные компоненты смещаются в сторону верхнего подпятника 124 пружины. В результате уменьшается зазор 120 между затвором и седлом 118, что приводит к уменьшению потока, поступающего в камеру 114, т.е. к понижению давления в ней. Наоборот, при уменьшении давления в камере ниже указанного уровня диафрагма 119 и поршень 126 с затвором 116 отодвигаются от верхнего подпятника 124 пружины. В результате зазор 120 растет, увеличивая поступающий в камеру 114 поток и соответственно давление в ней. Специалистам в данной области такое (так называемое прямое) регулирование хорошо известно.
В отличие от многих известных регуляторов гаситель 102 вибраций содержит виброгаситель 132, который находится во фрикционном контакте с наружной боковой поверхностью 130 поршня 126. Вследствие соответствующего выбора компонентов гасителя 102, а также их конструкции и конфигурации фрикционные усилия, приложенные к поршню 126, по существу, остаются отрегулированными (постоянными) в широком температурном интервале, причем без применения каких-либо смазывающих материалов на виброгасителе 132 и/или на поверхности 130 поршня 126. Кроме того, величину фрикционных усилий, приложенных к поверхности 130, выбирают таким образом, чтобы свести к минимуму или вообще исключить чувствительность диафрагмы 119 и поршня 126 к вибрациям регулятора 100 и/или к непредусмотренным изменениям давления или другим изменениям переходного давления внутри камеры 114. В результате отрегулированное давление на выходе регулятора 100 может оставаться, по существу, постоянным и не зависящим от таких вибраций, а также от изменений или флуктуаций давления.
В настоящем описании рассмотрены конкретное устройство, операции и готовые изделия, однако объем изобретения ими не ограничен. Напротив, этот объем охватывает все варианты осуществления изобретения, фактически находящиеся в пределах прилагаемой формулы, причем как буквально, так и с учетом эквивалентов.