ГАЗОСТАТ
GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дисперсных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 500 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
Основными компонентами газостата являются:
- собственно газостат, включающий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину;
- газовая и вакуумная системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере машины;
- системы нагрева и охлаждения;
- а также система управления.
Эффективность работы газостата во многом зависит от производительности и надежности его главной - газовой системы. В свою очередь качественный уровень работы последней определяется производительностью газового привода машины, а именно производительностью и схемой включения газовых компрессоров, пропускной способностью запорной аппаратуры и газового трубопровода, а также конструкцией самой газовой системы.
Аналогом изобретения является газостат, описанный в книге Кривоноса Г.А., Максимова Л.Ю., Зверева А.Д. Процессы и оборудование для газостатической обработки. М., Металлургия, 1994 г., стр.110. Газостат-аналог содержит газовую и вакуумные системы, собственно газостат с системой нагрева и систему охлаждения.
Газовая система аналога содержит баллонную станцию, компрессор, контрольно-измерительную аппаратуру, трубопроводы и запорно-регулирующую аппаратуру высокого давления (запорные вентили с ручным управлением). Существенным недостатком аналога является то, что для создания давления в контейнере используется один компрессор, установленный непосредственно между баллонной станцией и рабочей камерой, максимальное давление нагнетания которого должно быть не менее технологически необходимого давления рабочего цикла, находящегося в диапазоне 200-500 МПа. Следует отметить, что создание давлений, превышающих 200 МПа, одним компрессором практически невозможно. При указанном расположении компонентов, а именно: баллоны-компрессор-рабочая камера, производительность компрессора резко снижается по мере увеличения его степени сжатия - отношения давления нагнетания к давлению всасывания, в данном случае равное отношению давления в контейнере к давлению в баллонах. При этом увеличивается время рабочего цикла и снижается производительность газостата.
Прототипом изобретения является газостат, описанный патентом РФ № 2350429 от 09.06.2007 года. Газостат-прототип содержит контейнер с пробками, образующими его рабочую камеру, силовую станину, газовую систему, соединенную с рабочей камерой трубопроводом высокого давления и снабженную запорно-регулирующей аппаратурой с небольшим условным проходом Ду 3-5 мм, системы нагрева и охлаждения, а также систему управления. Газовая система оснащена компрессорами низкого и высокого давлений с возможностью их одновременной работы с максимальной производительностью в режимах параллельного и последовательного включения за счет установки между компрессорами низкого и высокого давлений регулятора давления игольчатого типа.
К недостаткам газовой системы прототипа следует отнести использование игольчатого регулятора давления достаточно сложной конструкции, оснащенного запорными тарельчатыми пружинами большой жесткости и подвижной иглой с блоком ее уплотнений. Внутренняя герметичность клапана и его работоспособность могут быть обеспечены только при соблюдении высокой степени соосности диаметров подклапанной полости и стержня иглы, а также отсутствия биения посадочного конуса иглы относительно ее стержня. Регулятор давления установлен на трубопроводе небольшого объема, соединяющем компрессоры низкого и высокого давлений, в котором имеет место значительная пульсация давления газа в короткий промежуток времени. При частом срабатывании регулятора его острая кромка обминается и разрушается под действием усилия блока жестких тарельчатых пружин в процессе посадки в седло закаленной иглы, интенсивно изнашиваются элементы блока уплотнений и «разбалтываются» соединения высокого давления трубопровода и аппаратуры. В результате требуется регулярно частое восстановление рабочих поверхностей иглы и седла регулятора, замены блока изношенных уплотнений и восстановление герметичности газовых соединений.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных, надежных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и нанопорошковых материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды при температуре до 2000°С.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении времени создания заданного давления в контейнере и откачивания газа из него в конце рабочего цикла.
Задача решается тем, что газостат, содержащий силовую станину и контейнер с нижней пробкой и верхней пробкой, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с компрессором низкого давления и компрессором высокого давления и установленным между ними регулятором давления мембранного типа, и с запорными клапанами газовой системы, при этом регулятор давления мембранного типа включает верхнюю плиту с полостью и нижнюю плиту с полостью в виде кольцевой проточки и с центральной полостью, образующей совместно с кольцевой проточкой плоский кольцевой поясок, поверхность которого притерта с мембраной, при этом полость верхней плиты с помощью ручных вентилей сообщена с газовой системой или с атмосферой, площадь полости верхней плиты больше площади кольцевой проточки нижней плиты, а уплотнения высокого давления мембраны выполнены неподвижными. Каждая из упомянутых полостей нижней плиты и верхней плиты связана с трубопроводом, соединяющим линию нагнетания компрессора низкого давления с линией всасывания компрессора высокого давления, а центральная полость нижней плиты связана с линией всасывания компрессора низкого давления.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фигуре 1, а на фигуре 2, в качестве информационного материала, показана конструкция регулятора давления игольчатого типа (прототип).
Газостат содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, нормально-закрытые клапаны с увеличенным проходом 6, 7, 8 и 9, газовый компрессор низкого 10 (КНД) и высокого 11 (КВД) давлений, а также баллонную станцию 12. КВД, как правило, - двухступенчатые. Для управления потоками рабочей среды при выполнении технологических операции рабочего цикла клапаны 6, 7, 8 и 9 соединены между собой и с другими компонентами газовой системы трубопроводом 13, при этом газовый ввод 14 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке. На трубопроводе, соединяющем компрессоры, установлен регулятор давления мембранного типа 15. Между верхней 16 и нижней 17 плитами зажата с помощью шпилек 18 металлическая мембрана 19, уплотненная неподвижными резиновыми кольцами 20. В верхней плите 16 выполнена расположенная над мембраной полость 21, соединенная с манометром 22. В нижней плите выполнена кольцевая проточка 23. Обе соединены между собой внешним трубопроводом. На трубопроводе установлены вспомогательные ручные вентили 24, 25 и 26. В центре нижней плиты выполнена полость 27, соединенная со всасыванием КНД и образующая совместно с проточкой 23 плоский кольцевой поясок 28, поверхность которого притерта с мембраной 19.
Конструкция мембранного регулятора давления значительно проще, а значит и надежнее регулятора игольчатого типа, поскольку в ней отсутствуют подвижные уплотняемые элементы, требующие для обеспечения нормальной работы узла высокой точности при изготовлении и сборке его элементов. Мембрана, поддерживаемая с обеих сторон давлением газа, работает в режиме плавного прогиба при открытии регулятора и посадки ее на поясок 28 при его закрытии.
Производительность КНД, как правило, выше производительности KBД. Регулятор давления автоматически синхронизирует производительности КНД и КВД, перепуская газ из нагнетательной магистрали КНД в его всасывающую линию при увеличении давления в ней выше величины настройки регулятора. Регулятор настраивается на давление, равное максимальному давлению всасывания КВД, которое несколько ниже давления срабатывания предохранительного клапана КНД. Регулировка давления в полости 21 - над мембраной осуществляется за счет закачки в нее газа КНД, либо за счет выпуска газа в атмосферу через вентиль 24. Таким образом обеспечивается работа компрессоров с максимальной производительностью и исключается безвозвратный выброс газа в атмосферу через предохранительный клапан КНД в процессе подъема давления в контейнере при последовательном включении КНД и КВД.
Газостат работает следующим образом. Перед проведением первого рабочего цикла настраивается регулятор давления 15 - одноразовая операция. Открывают клапан 9 и вспомогательный вентиль 25, включают КНД 10 и газ из баллонной станции 12 закачивают в полость 21 и кольцевую проточку 23, соотношение площадей которых определяет момент срабатывания регулятора - подъема мембраны 19 над пояском 28. Например, после подъема давления в указанных полостях до 30 МПа, контролируемого по манометру 22, вентиль 25 закрывают, при этом мембрана 19, прижимаемая давлением к притертому пояску, надежно отделяет кольцевую проточку 23 от полости 27. Регулятор будет открываться при прогибе мембраны вверх, когда давление в кольцевой проточке 23 достигнет 35 МПа, равного максимальному давлению всасывания КВД. В конце настройки КНД выключают, а регулятор давления настроен и газостат готов к проведению рабочих циклов.
В исходном положении силовая станина 1 сдвинута с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в рабочее пространство камеры газостата. Силовая станина устанавливается на оси контейнера. В сервопривод клапана 8 подается давление управления, клапан открывается, и газ самотеком поступает из баллонов 12 в контейнер. После выравнивания в них давления клапан 8 закрывается. Затем открываются клапаны 7 и 9, а также вентиль 26, и с помощью компрессоров 10 и 11 давление в контейнере поднимается до заданной величины. При этом за счет установки мембранного регулятора давления обеспечивается максимальная производительность КВД и минимальное время создания необходимого давления в рабочей камере газостата. Далее компрессоры останавливают, а клапаны 7 и 9 закрываются, вентиль 26 остается открытым. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение необходимого времени. Затем рабочее пространство камеры с заготовкой охлаждается. Открывается клапан 8, и газ самотеком перетекает из контейнера 3 в баллоны 12. Оставшийся газ через открытый клапан 6 выпускают из контейнера в баллонную станцию низкого давления (не показана) или в атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 1 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 5, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него, и цикл повторяется.
Таким образом, оснащение газовой системы машины нормально-закрытыми клапанами и газовым трубопроводом с увеличенным проходом, последовательно включенными компрессорами низкого и высокого давлений, между которыми установлен регулятор давления мембранного типа, позволяет:
- создать надежный и высокопроизводительный газостат с большим объемом рабочей камеры;
- уменьшить время выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды по газовому трубопроводу и через запорную аппаратуру компрессорами, работающими с максимальной производительностью;
- сократить общее время цикла, повысить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.
На фиг.2 (указанной в качестве информационного материала) приведены позиции, относящиеся только к фиг.2, а именно
- 1 - пружина,
- 2 - стакан,
- 3 - блок уплотнений,
- 4 - корпус,
- 5 - стержень иглы,
- 6 - острая кромка седла,
- 7 - подклапанная полость,
- 8 - надклапанная полость.