ГАЗОСТАТ
GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дискретных 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 и силовую станину;
- газовая и вакуумная системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере машины;
- системы нагрева и охлаждения;
- система управления.
Эффективность работы газостата во многом зависит от надежности и производительности его главной - газовой системы. В свою очередь, качественный уровень работы последней определяется условным проходом и пропускной способностью запорной аппаратуры и газового трубопровода, по которым в процессе выполнения технологических операций перемещается рабочая среда, производительностью компрессоров и вакуумного насоса, перекачивающих газ из баллонной станции в контейнер и обратно при завершении рабочего цикла, а также при многократном вакуумировании рабочей камеры машины. Разработка и применение надежно работающей газовой аппаратуры высокого давления с увеличенным условным проходом приобретает особое значение при создании современных промышленных газостатов с объемом рабочей камеры, достигающим нескольких кубических метров.
В случае применения запорных клапанов с увеличенными условными проходами критически увеличивается осевая нагрузка рабочей среды на иглу. Так, при рабочем давлении газостата 200 МПа в клапане с условным проходом Ду=5 мм она составляет 390 кг, а в клапане с Ду=15 мм - 3530 кг, т.е. - возрастает почти в 10 раз, что вызывает необходимость использования пружин большой жесткости, а значит, и увеличенных габаритов. При этом пропорционально растет диаметр поршня цилиндра сервопривода, необходимого для сжатия пружины при открытии клапана, а также габариты и металлоемкость клапана в целом.
Аналогом заявляемого изобретения является газостат, описанный в авторском свидетельстве SU №1748940, бюллетень №27 от 23.07.1992 г. Газостат-аналог содержит контейнер, закрытый по торцам пробками с герметизирующими уплотнениями. В верхней и нижней пробках выполнены газовые вводы, соединенные через систему газовых запорных клапанов с источником давления (компрессором), баллонной станцией, контрольно-измерительной аппаратурой и атмосферой. Газовая система машины оснащена унифицированными нормально-закрытыми клапанами с увеличенным проходом - Ду 15 мм. На клапане установлен газовый цилиндр разгрузки, шток которого опирается на иглу клапана, а его подклапанная полость соединена с помощью внешнего капилляра высокого давления с цилиндром разгрузки. Несмотря на то что применение цилиндра разгрузки с целью уравновешивания системы «игла - шток газового цилиндра» давлением рабочей среды позволило уменьшить габариты и металлоемкость клапана по сравнению с аналогичными параметрами запорного клапана прямого действия, в котором игла не уравновешена, недостатком клапана газостата-аналога является то, что его диаметральный размер определяется расположением нескольких прижимных пружин на периферии поршня сервопривода за пределом наружного диаметра цилиндра разгрузки и далее - стягивающих шпилек, а в общую высоту клапана входит высота газового цилиндра, установленного над верхним фланцем клапана, что влияет на металлоемкость и в результате на его стоимость.
Другим существенным недостатком клапана газостата-аналога является соединение его подклапанной полости и газового цилиндра разгрузки посредством внешнего капилляра высокого давления. Капилляр представляет собой толстостенную металлическую трубку малого диаметра с небольшим условным проходом, используемую только для выравнивания давления в соединяемых полостях. Так, например, в газостате-аналоге применен капилляр ф5×1,6, где 5 мм - наружный диаметр, а 1,6 мм - толщина стенки. Выпускаемые в настоящее время капилляры изготавливаются либо из нержавеющих, либо из термически не упрочненных конструкционных сталей, не обладающих достаточной твердостью. Соединение капилляра с соответствующей корпусной деталью выполняется следующим образом. На конце капилляра обрабатывается конус с острой кромкой на его усеченной вершине, а за конусом нарезается левая резьба, соответствующая наружному диаметру капилляра, на которую навинчивается втулка. При помощи нажимной гайки втулка подается вперед, прижимая острую кромку капилляра к поверхности корпусной детали с конусом, на несколько градусов превышающим угол конуса капилляра, создавая, таким образом, герметичное соединение «капилляр - корпус». В случае использования описанного присоединения капилляра, не обладающего достаточной твердостью и прочностью, его острая кромка в процессе эксплуатации аппаратуры обминается, приводя к выходу клапана из строя в результате нарушения внутренней герметичности и созданию аварийной ситуации. Резьба, выполненная на капилляре небольшого наружного диаметра, ослабляет его сечение, создавая концентраторы напряжений, и, как следствие, в зоне концентраторов часто происходит разрыв стенки капилляра под действием давления рабочей среды. Кроме того, обработка конуса и нарезание резьбы на капиллярах значительной длины и особенно на изогнутых (не прямолинейных) - не могут быть выполнены на металлорежущих станках, а изготавливаются с применением специальных, дорогостоящих приспособлений и инструмента. Эта же проблема имеет место при восстановлении резьбы и конуса капилляра в процессе эксплуатации газостата на месте его эксплуатации. В случае соединения упомянутых полостей высокого давления с помощью внешнего капилляра также существует возможность разрушения как самого капилляра, так и его соединений в результате случайного внешнего механического воздействия.
Прототипом изобретения является газостат, описанный в патенте RU №2402409 от 05.02.2009. Газостат-прототип содержит силовую станину, скрепленную бандажом высокопрочной ленты, контейнер, закрытый по торцам верхней и нижней пробками, нормально-закрытые газовые клапаны, компрессор и баллонную станцию. В корпусе клапана расточки надклапанной и подклапанной полостей образуют острую кромку седла, на которую в закрытом состоянии клапана опирается игла. В штоке цилиндра разгрузки и игле выполнен внутренний канал, соединяющий газовый цилиндр с подклапанной полостью. Игла и шток соединены между собой коническим соединением типа «металл - металл».
К недостаткам запорного клапана газостата-прототипа следует отнести невозможность извлечения блоков уплотнений из цилиндра разгрузки и корпуса клапана неповрежденными с помощью штока и иглы соответственно для повторного исследования. При разборке клапана, например для восстановления рабочей конической поверхности иглы или замены одного из элементов блока уплотнений, используются самодельные съемники, разрушающие обжатые давлением рабочего газа фторопластовые, резиновые и бронзовые элементы блока, а также посадочные поверхности расточек клапана и цилиндра разгрузки.
Другим недостатком клапана является составной (немонолитный) элемент игла - шток. В процессе эксплуатации их резьбовое соединение деформируется, что приводит к его разгерметизации и выходу клапана из строя. Такое состояние клапанов газовой системы не позволяет надежно выполнять штатные операции рабочего цикла машины и может вызвать аварийные ситуации с тяжелыми последствиями, учитывая огромный запас энергии сжатого газа, находящегося в рабочей камере газостата.
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.
Задача предлагаемого изобретения достигается тем, что газостат содержит силовую станину и контейнер с верхней пробкой и нижней пробкой, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с газовой системой, включающей запорные клапаны с увеличенным условным проходом. Каждый из клапанов снабжен сервоприводом с поршнем, иглой с цилиндрической поверхностью, цилиндром разгрузки, расположенным на нижней крышке сервопривода, над поршнем которого установлен блок тарельчатых пружин. На цилиндрической поверхности средней зоны иглы выполнена цилиндрическая проточка, диаметр которой меньше ее наружного диаметра. На нижнем конце иглы выше запорного конуса выполнен сплошной цилиндрический бурт, а на верхнем торце иглы, расположенном внутри цилиндра разгрузки, установлена с помощью болта со сквозным осевым сверлением цилиндрическая шайба, диаметр которой больше диаметра иглы.
Технический результат заключается в уменьшении металлоемкости и габаритов клапана газостатат.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фигурах 1-5, где:
- на фиг.1 показан газостат с фрагментом газовой системы;
- на фиг.2 изображен нормально-закрытый клапан с увеличенным проходом и газовым цилиндром разгрузки, установленным на нижней крышке сервопривода;
- на фиг.3 представлена верхняя часть штока газового цилиндра разгрузки;
- на фиг.4 показано крепление поперечины к игле клапана;
- на фиг.5 изображена нижняя часть иглы с буртом и блоком уплотнений.
Газостат (фиг.1) содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, нормально-закрытые клапаны 6, 7, 8 и 9, газовый компрессор 10 и баллонную станцию 11. Для управления потоками рабочей среды при выполнении технологических операций рабочего цикла клапаны 6, 7, 8 и 9 соединены между собой и с другими компонентами газовой системы трубопроводом 12, при этом газовый ввод 13 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке 4. Клапан (фиг.2) содержит корпус 14, в котором расточки надклапанной 15 и подклапанной 16 полостей образуют острую кромку 17 седла, на которую в закрытом состоянии клапана опирается игла 18. Гидравлический или пневматический сервопривод 19 соединен с корпусом 14 шпильками 20. Сервопривод состоит из гильзы 21, поршня 22, верхней крышки 23 и нижней крышки 24, закрепленных внутри гильзы с помощью пружинных колец 25. На верхней крышке 23 установлен стакан 26, внутри которого располагаются тарельчатые пружины 27. Усилие воздействия пружин на иглу 18, передаваемое поршнем 22 через шпильки 28 и поперечину 29, регулируется винтом 30. Поперечина 29 соединена с иглой 18 с помощью двух полуколец-шпонок 31, установленных в проточке иглы 18, направленной к оси иглы. Газовый цилиндр разгрузки 32 закреплен на нижней крышке 24 болтами 33. В игле 18 выполнен внутренний канал 34, соединяющий подклапанную полость 16 с цилиндром разгрузки. При расположении цилиндра разгрузки 32 на нижней крышке 24 значительно сокращаются габариты и металлоемкость клапана, а также стоимость и трудоемкость его изготовления. Замена нескольких цилиндрических пружин, расположенных на периферии поршня сервопривода клапана газостата-прототипа, одним блоком центрально расположенных тарельчатых пружин 27 также приводит к уменьшению габаритов и упрощению конструкции клапана. При одинаковой жесткости диаметр тарельчатых пружин в 4-5 раз меньше диаметра цилиндрических. Если диаметр верхнего конца 35 иглы 18 несколько больше диаметра ее нижнего конца 36, то игла прижимается к седлу дополнительным усилием, равным разности усилий, действующих на противоположные концы иглы клапана, надежно обеспечивая его внутреннюю герметичность в закрытом состоянии. При этом величина этого усилия увеличивается с ростом рабочего давления в системе. Клапан открывается при подаче давления управления под поршень 22 сервопривода 19. Для удобства извлечения блока уплотнений 37 плунжера цилиндра разгрузки 32 без разрушения его отдельный элементов и их многократного использования на верхнем торце иглы установлена шайба 38, с помощью которой уплотнение извлекается из расточки цилиндра разгрузки при удалении их него иглы 35. Шайба закреплена на игле болтом 39, имеющим сквозное осевое сверление 40. Аналогичную функцию выполняет бурт 41, выполненный на нижнем конце иглы 36 и расположенный выше ее конуса 42, но ниже блока уплотнений 43 иглы в корпусе клапана. Оба блока уплотнений и траверса надеваются на иглу через ее верхний конец перед установкой шайбы 38 и сборкой клапана в целом.
Газостат работает следующим образом. 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 11 в контейнер. После выравнивания в них давления клапан 8 закрывается. Затем открываются клапаны 7 и 9 и помощью компрессора 10 давление в контейнере поднимается до заданной величины. Далее компрессор останавливается, а клапаны 7 и 9 закрываются. 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 11. 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, предлагаемое изобретение позволяет создать надежный и высокопроизводительный газостат благодаря использованию в его газовой системе компактных запорных клапанов с увеличенным условным проходом;
- уменьшить время выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды по газовому трубопроводу и через запорную аппаратуру с повышенной пропускной способностью;
- сократить общее время цикла, повысить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.