ВРАЩАЮЩИЙСЯ РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН
ROTARY CONTROL VALVE

Настоящее изобретение относится к вращающемуся регулирующему клапану, например к вращающемуся регулирующему клапану, предназначенному для использования при регулировании подачи текучей среды под давлением на исполнительный механизм и, тем самым, для управления работой исполнительного механизма.
В тех случаях, когда работа исполнительного механизма является критичной для безопасности, в систему, как известно, закладывают избыточность, при которой исполнительный механизм работает с возможностью выдерживать отказы внутри исполнительного механизма или в соединенной с ним системой управления, без прерывания работы системы.
Одним видом клапана, пригодного для использования для регулирования работы такого исполнительного механизма, являются линейные регулирующие клапаны. Чтобы создать требуемую степень избыточности, при заклинивании линейного регулирующего клапана, включают отдельный байпасный клапан, позволяющий соединить друг с другом выходные отверстия клапанов, что позволяет перемещать подключенный исполнительный механизма в требуемое положение с помощью внешнего устройства или под управлением другого клапана. Альтернативным клапаном, который можно использовать для решения таких задач, является вращающийся клапан, содержащий пару золотников, соосно расположенных в гильзе. При нормальном использовании для регулирования подачи текучей среды на исполнительный механизм применяют угловое движение одного из золотников относительно другого. Если золотники заклинит так, что такое относительное перемещение станет невозможным, можно использовать регулировку углового положения второго золотника относительно гильзы, чтобы получить требуемую степень управляемости для продолжения работы.
Регулирующие клапаны описанных выше типов обычно довольно велики, и поэтому могут не подходить для установки в ограниченном пространстве, например в различных аэрокосмических изделиях. Кроме того, такие регулирующие клапаны обычно относительно сложны и нежелательно тяжелы.
Задачей настоящего изобретения является создание регулирующего клапана, в котором по меньшей мере часть недостатков известных регулирующих клапанов устранена или их влияние уменьшено.
Согласно настоящему изобретению предлагается регулирующий клапан, содержащий первый золотник, второй золотник, окружающий по меньшей мере часть первого золотника и выполненный с возможностью углового движения относительно него, и гильзу, окружающую по меньшей мере часть второго золотника, при этом второй золотник выполнен с возможностью углового движения относительно гильзы, при этом первый и второй золотники имеют первое и второе множество портов, совмещаемых друг с другом, в зависимости от относительных угловых положений первого и второго золотников, для регулирования сообщения между по меньшей мере линией давления, возвратной линией и линией управления, выполненных в золотнике или соединенных с ним, при этом второй золотник и гильза имеют третье и четвертое множество портов, отнесенных в осевом направлении от первого и второго множества портов, и выполненных с возможностью совмещения друг с другом в зависимости от относительного углового положения второго золотника и гильзы для регулирования сообщения между по меньшей мере линией управления и возвратной линией, и средство фиксатора, выполненное с возможностью создавать сопротивление движению второго золотника относительно гильзы.
В такой конструкции при нормальном использовании второй золотник удерживается от углового движения относительно гильзы средством фиксатора, а угловое движение первого золотника относительно второго золотника регулирует сообщение между по меньшей мере частью портов первого и второго множества портов и, таким образом, между линией давления, возвратной линией и линией управления. Соответствующее регулирование положения первого золотника относительно второго золотника позволяет управлять исполнительным механизмом, соединенным с линией управления. Если первый и второй золотники заклинит относительно друг друга, угловое движение первого золотника также приводит к угловому движению второго золотника за счет заклинивших компонентов при условии, что приложенный крутящий момент достаточен, чтобы преодолеть действие средства фиксатора. Движение второго золотника позволяет создать сообщение между портами третьего и четвертого множества портов, чтобы создать сообщение между линией управления и возвратной линией. Создание такого сообщения приводит к возникновению обходного пути. Наличие обходного пути во вращающемся регулирующем клапане позволяет создать требуемую избыточность, не увеличивая чрезмерно размер и вес регулирующего клапана и в относительно простой и удобной форме.
Предпочтительно, чтобы механизм фиксатора содержал образование, созданное на втором золотнике, при этом такое образование содержит углубление, и фиксирующий элемент, взаимодействующий с образованием, и поджимаемый в углубление для сопротивления угловому движению второго золотника. Для удобства фиксирующий элемент поджат пружиной в углубление. Углубление предпочтительно имеет форму симметричной рампы.
Предпочтительно иметь первую и вторую линии управления, при этом создание сообщения между портами первого и второго множества портов создает сообщение между одной из линий управления и линией давления, и создает сообщение между другой линией управления и возвратной линией. Предпочтительно, создание сообщения между портами третьего и четвертого множества портов соединяет и первую, и вторую линии управления с возвратной линией.
Для удобства пара вращающихся регулирующих клапанов такого типа используются в комбинации для управления работой исполнительного механизма. Если в одном из клапанов произойдет заклинивание, этот клапан можно перевести в байпасное положение, что позволит исполнительному механизму продолжать работать под управлением второго из регулирующих клапанов. Следует понимать, что хотя работа исполнительного механизма может ухудшиться, он продолжит функционировать, а регулирующий клапан в байпасном положении действует как демпфер, демпфируя работу исполнительного механизма, но не препятствует ей.
Регулирующие клапаны предпочтительно приводят в действие синхронно, при этом заклинивший регулирующий клапан находится в байпасном положении в любое время, когда еще работающий клапан создает сообщение между линией (линиями) управления и линией давления и/или возвратной линией.
Далее следует подробное описание примера настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг.1 - изображает схему, иллюстрирующую исполнительный механизм и вращающийся регулирующий клапан, управляющий его работой.
Фиг.2 - вид в изометрии части вращающегося регулирующего клапана, используемого в конструкции по фиг.1.
Фиг.3 - вид сбоку части вращающегося регулирующего клапана по фиг.2.
Фиг.4, 5 и 6 - сечения по линиям А-А, В-В и С-С, соответственно, на фиг.3.
Фиг.7 и 8 - виды в изометрии первого и второго золотников вращающегося регулирующего клапана, и
Фиг.9а и 9b - виды в изометрии гильзы вращающегося регулирующего клапана.
На приложенных чертежах показан вращающийся регулирующий клапан 10, используемый для управления работой гидравлического привода 12 или исполнительного механизма, в котором в качестве гидравлической жидкости используется топливо. Как показано на фиг.1, с приводом 12 для удобства соединены два регулирующих клапана 10а, 10b, при этом каждый из регулирующих клапанов 10а, 10b выполнен с возможностью регулировать соединение соответствующих пар управляющих камер 14 с линией 16 давления и с возвратной линией 18. Для управления работой регулирующих клапанов 10, 10b имеется общая приводная рычажная конструкция 20, позволяющая клапанам работать синхронно. Как будет описано ниже, в случае заклинивания одного из регулирующих клапанов 10а, 10b, этот регулирующий клапан может занять положение обхода, когда требуется регулировка положения привода, тем самым позволяя продолжить использование, хотя и с ухудшенными характеристиками из-за эффекта демпфирования, создаваемого заклинившим регулирующим клапаном.
Регулирующие клапаны 10а, 10b по существу идентичны, поэтому ниже подробно описывается только один клапан.
Как показано на фиг.2-9, регулирующий клапан 10 содержит первый внутренний золотник 22, который проходит сквозь отверстие, сформированное во втором, внешнем золотнике24 так, что второй золотник 24 окружает первый золотник 22. Первый золотник 22 содержит область, диаметр которой по существу равен диаметру прилегающей части отверстия второго золотника 24 так, чтобы сформировать достаточно хорошее уплотнение между ними. На той части первого золотника 22, которая выступает из второго золотника 24, сформированы зубья или шлицы 26, которые позволяют соединенной приводной конструкции 20 поворачивать первый золотник 22.
На периферии первого золотника 22 имеется первое множество портов 28 в форме углублений. Порты 28 выровнены в осевом направлении со вторым множеством портов 30, сформированных во втором золотнике 24. В отличие от первого множества портов 28, порты 30 имеют форму отверстий, проходящих сквозь второй золотник 24. Как лучше всего показано на фиг.5, на первом золотнике 22 имеется четыре порта 28, разнесенных на равные угловые расстояния, а на втором золотнике 24 имеется восемь портов 30, разнесенных на равные угловые расстояния. Конструкция и расположение портов 28, 30 таковы, что когда первый золотник 22 занимает закрытое положение, каждый порт 28 сообщается лишь с одним из портов 30. Угловое движение первого золотника 22 в направлении от закрытого положения приводит к тому, что каждый порт 28 совмещается с парой соседних портов 30, создавая сообщение между ними.
Второй золотник 24 проходит сквозь центральное отверстие, сформированное в гильзе 32. Гильза 32 для удобства является конструкцией, состоящей из двух частей, содержащей внутреннюю гильзу 34 и внешнюю гильзу 36. Внутренняя и внешняя гильзы 34, 36 жестко скреплены друг с другом и при эксплуатации не могут двигаться относительно друг друга.
Внутренняя гильза 34 определяет множество портов 38, которые в осевом направлении совмещены с портами 28, 30 и, в показанном положении, в угловом направлении совмещены с портами 30. Следует понимать, что когда второй золотник 24 занимает показанное угловое положение, угловое движение первого золотника 22 регулирует сообщение между соседними портами 38, выполненными во внутренней гильзе 34.
Как показано на фиг.9а, порты 38 проходят сквозь внутреннюю гильзу 34. На внешней периферии внутренней гильзы 34 выполнено множество проходящих в осевом направлении каналов 40, сообщающихся с соответствующими портами 38. На внешней поверхности внешней гильзы 36, как показано на фиг.9b, сформировано множество кольцевых углублений, или камер, 42, и каждая камера 42а, 42b, 42с, 42d сообщается через соответствующий канал 44, сформированный во внешней гильзе 36 (по два канала 44 в каждой камере 42а, 42b, 42с, 42d) с парой каналов 40 и, следовательно, с парой портов 38. При эксплуатации гильза 32 находится в корпусе (не показан), в котором выполнены соединители так, что первая из камер 42а соединена с линией 16 высокого давления, вторая из камер 42b соединена с возвратной линией 18, третья из камер 24с соединена с первой линией 50 управления, соединенной с одной из управляющих камер 14 привода 12, и четвертая камера 42d соединена со второй линией 52 управления, соединенной с другой управляющей камерой 14.
Следует понимать, что при показанной ориентации золотников 22, 24 и гильзы 32 управляющие камеры 14 не соединены с высоким давлением или с возвратными линиями. Поэтому привод 12 не движется. Из этого положения угловое движение первого золотника 22 в одном направлении создает сообщение между первой камерой 42а и третьей камерой 42с, подавая высокое давление в первую линию 50 управления и соединенную с ней камеру 14, и создает сообщение между второй камерой 42b и четвертой камерой 42d, соединяя вторую линию 52 управления и соединенную с ней управляющую камеру 14 с возвратной линией 18. Таким образом происходит движение привода 12, продолжающееся до тех пор, когда либо привод 12 достигнет конца своего хода, или когда регулирующий клапан будет сдвинут в другое положение. Следует понимать, что движение первого золотника 22 в противоположном направлении реверсирует соединения и поэтому привод 12 движется в противоположном направлении.
В этом режиме работы важно обеспечить неподвижность второго золотника 24 относительно гильзы 32, чтобы поддерживать сообщение между портами 30 второго золотника 24 и портами 38 гильзы 32. Для сопротивления угловому движению второго золотника 24 имеется средство 56 фиксатора. Средство 58 фиксатора содержит фланец 58, выполненный на втором золотнике 24, и имеющий углубление 60. Как показано на фиг.2, фиксирующий элемент 62 имеет форму шарового элемента, установленного на конце штока 64 поршня и посаженного в углубление 60. Если при эксплуатации момент, приложенный ко второму золотнику 24, невелик, сила пружины, нагружающая фиксирующий элемент 62 в комбинации с формой боковых стенок углубления 60, достаточна для удержания второго золотника 24 и предотвращения его углового движения.
Следует понимать, что если при эксплуатации первый и второй золотники 22, 24 заклиниваются друг на друге, продолжение приложения момента к первому золотнику 22 для его перемещения в требуемое угловое положение приведет к тому, что на второй золотник 24 будет действовать существенный крутящий момент. Если этот приложенный крутящий момент достаточно велик, может начаться угловое движение второго золотника 24 в сторону положения обхода, при этом фиксирующий элемент 62 поднимается вверх по наклонным боковым стенкам углубления 60, преодолевая действие силы нагружающей пружины.
Как показано на фиг.6 и 8, в осевом положении, отнесенном от первого и второго множеств портов 28, 30, во втором золотнике 24 имеется третье множество портов 66 в форме углублений, выполненных в его периферии. Как показано на фиг.4, имеется четыре таких порта 66. Порты 66 выровнены в осевом направлении с четвертым множеством портов 68, выполненных в гильзе 32. Порты 68 разнесены на одинаковое угловое расстояние, и таких портов имеется восемь. Расположенные через один порты 68 сообщаются с каналами 40, соединенными с камерой 42b, и поэтому соединены с возвратной линией 18. Два противоположных порта 68 сообщаются с каналами 40, соединенными с камерой 42с, и поэтому соединены с первой линией 50 управления. Остальные два порта 68 соединены с каналами 40, сообщающимися с камерой 42d, и, следовательно, соединены со второй линией 52 управления.
Следует понимать, что когда второй золотник 24 находится в показанном угловом положении, в котором он зафиксирован средством 56 фиксатора, каждый порт 66 третьего множества портов сообщается лишь с одним из портов 68 четвертого множества. Ни один из портов 68 не сообщается через порты 66 с другими портами 68. Следовательно, во время нормальной работы регулирующего клапана 10 эти порты 66, 68 и эта часть регулирующего клапана 1 не участвуют в работе регулирующего клапана 10 и поэтому не оказывают влияния на управление или работу привода 12. Однако, если первый и второй золотники 22, 24 заклиниваются друг с другом, и поэтому второй золотник 24 приводится в движение, как описано выше, после перехода второго золотника 24 за заранее определенное расстояние каждый порт 68 входит в сообщение с двумя соседними портами 68. Следовательно, создается сообщение между обеими линиями 50, 52 управления и возвратной линией 18. В зависимости от углового положения первого золотника 22 относительно второго золотника 24 одна или две из линий 50, 52 управления также может быть соединена с линией 16 высокого давления, и поэтому может происходить некоторая практическая утечка топлива из линии 16 высокого давления в возвратную линию 18.
Следует понимать, что при соединении обеих линий 50, 52 управления с возвратной линией 18, движение привода 122 под управлением, например регулирующего клапана 10b при заклинивании регулирующего клапана 10а, может происходить без формирования гидравлической пробки, которая в противном случае препятствовала бы такой работе. Отказавший регулирующий клапан будет демпфировать такое движение, не будет ему препятствовать. Очевидно, что такое демпфирование может привести к ухудшению работы привода. Однако, поскольку привод продолжает функционировать, безопасность работы сохраняется.
Как показано на фиг.1, для удобства с каждым управляющим клапаном 10 соединен тестовый поршень 70, который работает для зацепления с выступом 72, сформированным на втором золотнике 24 для принудительного вывода второго золотника 24 из нормального рабочего положения и, тем самым, для имитации возникновения заклинивания. При соответствующем управлении поршнями 70 можно тестировать систему и ее способность приводить в действие привод 12 в случае отказа. Например, при срабатывании одного из поршней 70, один из регулирующих клапанов 10 можно временно вывести из работы и обеспечить управление приводом через другой регулирующий клапан. После тестирования одного регулирующего клапана можно вывести из работы второй регулирующий клапан, чтобы завершить операцию тестирования.
Как описано выше, следует понимать, что регулирующий клапан по настоящему изобретению обладает преимуществами, заключающимися в том, что в нем имеется требуемая степень избыточности, создаваемая относительно простыми и удобными средствами, не требующими наличия дополнительных компонентов. Он относительно компактен, его легко размещать, и такой клапан добавляет минимальный дополнительный вес. Специалистам понятны и другие многочисленные преимущества.
Хотя выше был описан один конкретный вариант изобретения, следует понимать, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.