ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН
ELECTROMAGNETIC VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, преимущественно к клапанам с электромагнитным приводом, предназначенным, в частности, для работы в качестве исполнительных устройств в системах автоматического релейного регулирования жидкостно-газовыми потоками.
Среди устройств такого типа клапаны с непосредственным воздействием давления среды на запорный орган отличаются простотой конструкции. Клапан действует посредством электромагнитного привода, обычно имеющего в магнитном кожухе электрическую катушку. В центре этой катушки установлен подпружиненный со стороны клапанной головки подвижный якорь или сердечник. Клапанная головка якоря при этом перекрывает седло в проходе корпуса клапана (Пржиаловский А.Л., Щучинский С.Х. Электромагнитные клапаны. Л. Машиностроение 1967, с.21, рис.5). Якорь, перемещающийся относительно корпуса в осевом направлении, расположен в немагнитной разделительной трубке (гильзе) и ограничен в движении стоп - деталью (полюсом) с амортизирующим медным кольцом, впрессованным в нее. Под амортизацией здесь понимается возможность устойчивой работы клапана на переменном токе. "Залипания" якоря во включенном положении при работе на постоянном токе это не исключает.
Другим недостатком данного клапана является возможность бокового смещения якоря внутри указанной трубки с образованием зазора. Кроме того, приведенный клапан из-за конструктивных особенностей имеет значительные размеры.
Известен также электромагнитный клапан такого же типа, в котором якорь в стоп входит коническим окончанием (пат. RU №2196929, F16K 31/06, от 20.03.2000). При этом в ответной части стопа установлена соответствующей формы упругая прокладка. Рассчитывают, что таким образом можно добиться снижения уровня звуковой мощности в момент включения, исключения бокового удара непосредственно соприкасающихся металлических торцов якоря и полюса, исключения "залипания" якоря за счет остаточного магнетизма в момент отключения питания катушки.
Но данная конструкция клапана не обеспечивает постоянства его динамических характеристик из-за возможного старения и сминания прокладки.
Величина немагнитного зазора при этом будет меняться и трудно подобрать подвижным стопом первоначальное состояние. Кроме того, клапанная головка, поджатая возвратной пружиной, значительно утоплена в тело корпуса, а это приводит к увеличению габаритов клапана.
Известен электромагнитный пневматический клапан втяжного типа, имеющий в кожухе электромагнитного привода подвижный якорь - запорный орган, подпружиненный со стороны клапанной головки возвратной пружиной (Ав.св. №1196593, F16K 31/02, от 11.10.1982 г.). При этом перемещение якоря происходит внутри немагнитной гильзы до "стопа" (упора), в котором выполнен канал, перекрываемый верхним клапаном якоря. Кожух (каркас) электромагнитного привода соединен магнитной гайкой через прокладку с гнездом в корпусе, в котором расположен проходной канал с седлом для нижнего также подпружиненного клапана.
Функционирование электромагнитного клапана осуществляется путем подачи напряжения на электромагнитную обмотку и его снятия. Утверждается, что выполненные на запорном органе проточки способствуют более быстрому переходу клапана в нормально закрытое состояние под действием силы предварительно сжатой цилиндрической пружины. Использованная конструкция сборки в виде магнитной гайки с немагнитной разделительной трубкой может вызвать трудности при изготовлении герметичного соединения. А гнездо с резьбой увеличивает размеры подвижного якоря.
Известны решения, где вместо возвратной цилиндрической пружины на якорь воздействуют плоской пружиной (пат. US №7387135, G05D 7/06, F16K 25/00, от 23.12. 2004). Такая специфика предложенного решения привела к непростой конструкции разделительной трубки. Со стороны якоря она выполнена в виде кольца с прямоугольным утолщением на большем диаметре. Кроме уменьшения размеров, такое применение позволяет повысить чувствительность клапана. Тем не менее расположение пружины в гнезде корпуса приводит к увеличению габаритов клапана и сложности всего устройства.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является клапан, где подпружиненный конической пружиной якорь имеет в сквозном отверстии подпружиненный цилиндрической пружиной верхний запорный элемент, а в нижний пружина упирается (пат. DЕ №3520488, H01F7/16, от 07. 06.1985). Коническая пружина опирается на треугольной формы прокладку между ввернутой в гнездо гайкой с окончанием в виде разделительной трубки и якорем. При этом окончание трубки надето на боковую проточку стопа, где имеется уплотнение и канавка для завальцовки трубки после указанного уплотнения. А на торце указанного стопа есть амортизирующее медное кольцо, впрессованное в него. Недостаток - в возможности при работе на постоянном токе "залипания" якоря во включенном положении. Не исключена возможность бокового смещения якоря внутри указанной трубки с образованием зазора и попаданием в него твердых частиц и как следствие вероятности заклинивания. К уменьшению срока службы клапана может привести наличие трения между подпружиненным запорным элементом якоря и стенками отверстия якоря.
Отметим, что седло нижнего запорного клапана также должно быть утоплено в гнездо корпуса из-за необходимости в резьбе для гайки. Поэтому предлагается дальнейшее усовершенствование клапана в части, касающиейся конструкции разделительной трубки в области нижнего запорного элемента якоря, и, кроме того, изменениям подвергнут подпружиненный запорный элемент якоря.
Основными задачами предлагаемого решения является разработка простого, надежного и удобного в эксплуатации электромагнитного клапана, который обеспечил бы устойчивую работу системы управления, в которой этот клапан используется, а также уменьшение габаритов за счет оптимизации конструкции, повышение технологичности его изготовления и ремонта.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, - герметизация полости разделительной трубки с сердечником (якорем) относительно рабочей среды и относительна корпуса, уменьшение сопротивления перемещению верхнего подпружиненного запорного элемента для ограничения износа последнего во включенном состоянии.
Решение задачи заключается в том, что в электромагнитном клапане, содержащем корпус с входным и выходным патрубками (каналами) и седлом, (электромагнит) электромагнитный привод в виде катушки, кожуха, разделительной трубки (гильзы), герметично надетой на конец стоп - детали, ограничивающей перемещение по указанной трубке при взаимодействии с электромагнитом якоря с запорными элементами, выполненными с противоположных сторон, один из которых перекрывает седло проходного канала стопа и подпружинен цилиндрической пружиной, расположенной в сквозной ступенчатой проточке (отверстии) якоря и опирающейся на противоположный неподвижный запорный элемент, который взаимодействует с седлом корпуса при перемещении якоря, имеющего с этой стороны (в этом месте) с наружной стороны проточку для опоры конической возвратной пружины, согласно предложенному решению верхний элемент завулканизирован в немагнитную втулку в виде подобранной пары с малым трением между материалами трубки и якоря, нижний - непосредственно в отверстие проточки якоря, а трубка (гильза) со стороны неподвижного запорного элемента (нижней стороны якоря) имеет кольцо с выступами, которое при подтягивании гайки на стопе герметично поджимает плоскую часть Г-образного уплотнительного элемента, расположенного в проточке нижней части кожуха, при этом в часть проточки которой упирается при подтягивании гайки на стопе ограничительный выступ меньшего диаметра, расположенный в переходной области между трубкой и кольцом, при этом второй выступ на большем диаметре кольца наружной поверхностью входит в проточку корпуса с седлом и каналами и ограничивает боковую деформацию уплотнительного элемента при прижатии кожуха к корпусу, а поверхность внутреннего диаметра указанного последним выступа служит упором для конусной или плоской (лепесковой) возвратной пружины.
Как вариант исполнения, в указанном клапане катушка может быть выполнена бескаркасной, надетой на удлиненную разделительную трубку, при этом ее выступ меньшего диаметра выполнен с небольшим углом для создания замкового прижима трубки в области длинной стороны Г-образного уплотнительного элемента, а детали, например якорь, внутри разделительной трубки изготовлены из коррозионно-стойкой стали.
Повышение надежности клапана при использовании пустотелого якоря, в котором подвижный запорный элемент расположен в металлической обойме, позволяет уменьшить износ поверхности запорного элемента, контактирующего с поверхностью отверстия в якоре. Кроме того, обеспечивает самоустановку запорного элемента в процессе работы, что дает герметичность соединения затвор-седло при эксплуатации. Выполнение конструкции разделительной трубки в предлагаемом виде позволяет обеспечить центровку привода при сохранении герметичности монтажа.
Предложенные усовершенствования электромагнитного клапана схематически поясняются чертежом.
На фиг.1 изображен электромагнитный клапан в разрезе, вариант исполнения выступа на разделительной трубке электромагнитного привода.
Электромагнитный клапан содержит корпус 1 входным и выходным патрубками (каналами) 2 и седлом корпуса 3, каркасную катушку 4, кожух 5, немагнитную разделительную трубку (гильзу) 6, стоп - деталь 7 с отверстием, якорь 8, подвижный верхний запорный элемент 9 с обоймой 10, неподвижный нижний запорный элемент 11 якоря, седло проходного канала стопа 12, цилиндрическую пружину 13, сквозное ступенчатое отверстие (проточка) якоря 14, коническую возвратную пружину 15, кольцо 16 с выступами 17 на меньшем диаметре трубки 6, выступ 18 большего диаметра кольца 16, Г-образный уплотнительный элемент 19, длинная сторона которого лежит в проточке кожуха, а короткая упирается в корпус 1, гайку 20 стопа. Как показано на фиг.1, в стопе выполнена проточка 21 под верхний выступ на разделительной трубке 6, а под седло уплотнения верхним запорным элементом якоря, подпружиненным цилиндрической пружиной, - проточка 12 в виде ступеньки. Деталь седла может выполняться в виде немагнитной втулки с отверстием и может быть запрессованной в указанный стоп 7. Форма выступа 17 может быть исполнена как прямоугольной, на основном рисунке, так и с небольшим углом для создания замкового прижима трубки в области длинной стороны упругого элемента 19, как показано на вставке. В качестве магнитного материала в зависимости от условий работы может быть выбрана и корозионно-стойкая сталь. В. частности, это касается, например, якоря и стопа. Также седло 3 может быть выполнено в виде отдельной детали, а именно втулки с проходным отверстием. Как вариант выполнения, может использоваться выступ в немагнитной детали без отверстия, вставленной в деталь, ограничивающую перемещение якоря (стоп) вместо втулки с седлом. Тогда и по конструкции клапан будет самым простым. Понятно, что возвратная пружина может быть отличной от пружины, представленной на рисунке, например плоской (лепестковой). Привод собирается из отдельных деталей кожуха и катушки. При этом наружная часть кожуха со стороны стопа завальцовывается на кольцевую часть кожуха. Стоп вставляется в разделительную трубку и поджимается сверху гайкой 20. При этом наличие уплотнений позволяет получить герметичность в полости якоря, поджатого конической пружиной 15. Усилие цилиндрической пружины, поджимающей запорный элемент 9, выбирается исходя из минимального рабочего давления клапана. Далее, привод устанавливается на посадочное место корпуса 1. Выступ 18 на кольце разделительной трубки при установке играет роль направляющей. Удлинение окончания разделительной трубки со стороны стопа до размеров катушки позволяет использовать бескаркасную катушку. Это также способствует уменьшению габаритов привода при той же самой мощности.
Крепление клапана может быть выполнено фланцевой шайбой, захватывающей выступ снаружи кожуха и прикручиваемой винтами к корпусу (не показано). Вместо выступа на кожухе может, как вариант, выполняться проточка под упругое разрезное кольцо, также поджимаемое к корпусу круглым или квадратным фланцем с несколькими винтами. Под корпусом 1 здесь подразумевается как отдельная деталь пневматической схемы, так и плита (плата) с проводящими рабочую среду каналами.
Электромагнитный клапан работает следующим образом.
При подаче напряжения на катушку 4 электромагнитного привода под действием магнитного потока якорь 8 с запорным органом движется вверх к стопу в направляющей трубке 6 и занимает положение, показанное на рисунке. Входной и выходной каналы 2 при этом сообщаются. Подпружиненный запорный элемент 10 уплотнения, расположенный в верней части якоря, прижмется к седлу 12 стопа. Он будет служить при этом для перекрывания прохода воздуха в кольцевой щели между трубкой 6 и якорем 8, например, в атмосферу, или в другой канал через отверстие (не обозначено), имеющееся в стопе 7. Вместе с тем, выполнение подпружиненного запорного элемента методом вулканизации в немагнитной металлической обойме способствует уменьшению его трения со стенками отверстия якоря и центровке относительно оси. Ширина кольцевой щели между трубкой 6 и якорем 8 определяется величиной зазора, необходимого для скольжения якоря, и позволяет проходить твердым частицам рабочей среды с размером не более величины этого зазора без опасности их защемления между гильзой и якорем. При снятии напряжения с катушки электромагнитного привода 4 якорь 8 под действием пружины 15 возвращается в исходное закрытое состояние. Далее процесс подачи тока может быть повторен.
Таким образом, предлагаемый электромагнитный клапан может использоваться для многократного и быстрого перекрытия газовых и жидкостных магистралей. Возможность разборки привода для профилактики повышает ремонтопригодность клапана при эксплуатации.
Электромагнитный клапан, реализованный с расширенными функциональными возможностями благодаря предложенным усовершенствованиям, имеет улучшенные характеристики, надежность и технологичность. На предложенный электромагнитный клапан разработана соответствующая техническая документация и начат мелкосерийный выпуск этой продукции.