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°C, 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 зависит прежде всего 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 высокого давления, производительностью компрессоров и вакуумного насоса, перекачивающего газ из баллонной станции в контейнер и обратно при завершении рабочего цикла, а также при многократном вакуумировании рабочей камеры машины в процессе выполнения каждого рабочего цикла. 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 прямого действия 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, а при повышении в нем рабочего давления до 500 МПа осевое усилие в клапане составит 8831 кг, что вызывает необходимость использования запорных пружин большей жесткости, а значит, и увеличенных габаритов. Так например, наружный диаметр винтовой цилиндрической пружины с усилием Рз=8000 кг составляет 360 мм, а тарельчатой пружины с аналогичным усилием - 400 мм и более. При этом пропорционально растет диаметр поршня цилиндра сервопривода, необходимого для сжатия цилиндрической или блока тарельчатых пружин при открытии клапана, а также габариты и металлоемкость клапана в целом, приводя практически к невозможности использования в газовых системах промышленных газостатов с большим объемом рабочих камер запорных клапанов прямого действия. В связи с упомянутым, разработана оригинальная компактная конструкция запорных клапанов с увеличенными условным проходом и пропускной способностью, исключающая вышеперечисленные недостатки клапанов прямого действия.
Аналогом заявляемого изобретения является газостат, описанный в авторском свидетельстве SU №1748940, бюллетень №27 от 23.07.1992. 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 цилиндрических 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 внешним капилляром 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, 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 происходят разрывы стенки капилляра под действием давления рабочей среды. Кроме того, обработка конуса и нарезание резьбы на капиллярах значительной длины и особенно на изогнутых (непрямолинейных) - 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 на месте эксплуатации клапана. 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 патентом РФ №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 использования. 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, а также технологически сложное в изготовлении двойного байонетного крепления цилиндра разгрузки к стакану клапана.
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°C.
Задача решается тем, что газостат содержит силовую станину и контейнер с верхней и нижней пробками, закрытый по торцам верхней и нижней пробками с образованием его рабочей камеры, соединенной газовым трубопроводом с запорными клапанами газовой системы. Каждый клапан оснащен поршнем, газовым цилиндром разгрузки, иглой со сквозным внутренним каналом, соединяющим цилиндр разгрузки с подклапанной полостью клапана, и сервоприводом с нижней крышкой. Верхний конец иглы расположен внутри цилиндра разгрузки, а нижний конец иглы разделяет надклапанную и подклапаную полости клапана. Клапан снабжен резьбовыми втулками, верхние концы которых выполнены прямоугольного сечения и установлены в соответствующих заглублениях нижней крышки сервопривода, а поршень клапана является верхней крышкой клапана.
Верхний конец резьбовой втулки выполнен в виде прямоугольного фланца и установлен в соответствующем углублении нижней крышки и закреплен па ней четырьмя винтами. Такое решение предотвращает втулки от проворота при навинчивании на них гаек в процессе регулирования усилия прижатия иглы к острой кромке седла клапана.
Цилиндр разгрузки может быть ввинчен до упора в нижнюю крышку клапана.
На игле с помощью двух полуколец может быть установлена поперечина.
Для закрытия клапан может быть снабжен двумя винтовыми цилиндрическими пружинами, взаимодействующими с поперечинами.
На цилиндрической поверхности средней зоны иглы может быть выполнена проточка для установки полуколец.
Конструкция газостата представлена на фигурах 1-4, где:
- на фиг.1 показан газостат с фрагментом газовой системы;
- на фиг.2 изображен нормально-закрытый клапан с увеличенным проходом;
- на фиг.3 представлено сечение клапана, поясняющее диаметральное и угловое расположение элементов клапана, а именно: запорной иглы с цилиндром разгрузки, двух прижимных пружин и двух шпилек, соединяющих корпус клапана с сервоприводом;
- на фиг.4 показаны крепление цилиндра разгрузки к корпусу клапана и расположение иглы уменьшенной длины в расточках корпуса и цилиндра разгрузки.
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 с увеличенным проходом 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 двумя шпильками 20. Сервопривод состоит из гильзы 21, поршня 22 и нижней крышки 23, закрепленной внутри гильзы с помощью пружинного кольца 24. При подаче среды управления (газа или жидкости) через отверстие 25 под поршень 22 он перемещается вверх до упора во фланец 26. При этом поперечина 27 с помощью шпилек 20 сжимает пружины 28, открывая клапан. Верхний конец резьбовой втулки 29 выполнен в виде прямоугольного фланца 30 и установлен в соответствующем углублении 31 нижней крышки 23, и закреплен на ней четырьмя винтами 32. Такое решение предотвращает втулки 29 от проворота при навинчивании на них гаек 33 в процессе регулирования усилия прижатия иглы 18 к острой кромке седла клапана 17. Корпус цилиндра разгрузки 34 ввинчен до упора в углубление 31 нижней крышки 23. Игла с отверстием, соединяющим цилиндр разгрузки с подклапанной полостью, взаимодействует с поперечиной 27 с помощью двух полуколец 35 и 36, установленных в ее расточке.
Использование газового цилиндра 34, соединенного с подклапанной полостью, позволяет уравновесить иглу клапана внутренним рабочим давлением газовой системы при равенстве наружных диаметров ее обоих концов, а именно верхнего конца 37, расположенного внутри цилиндра разгрузки, и нижнего 38, разделяющего надклапанную и подклапаную полости. В данном случае пружины 28 обеспечивают только создание на кромке седла необходимых контактных давлений, а не противодействие осевому усилию рабочей среды высокого давления, действующего на иглу в подклапанной полости. При расположении цилиндра разгрузки на нижней крышке 23 уменьшается длина иглы, имеющая внутренний канал, значительно сокращаются габариты и металлоемкость клапана, а также стоимость и трудоемкость его изготовления. Если диаметр верхнего конца 37 иглы 18 несколько больше диаметра ее нижнего конца 38, то игла прижимается к седлу дополнительным усилием, равным разности усилий, действующих на противоположные концы иглы клапана, дополнительно обеспечивая его внутреннюю герметичность в закрытом состоянии. При этом величина этого усилия увеличивается с ростом рабочего давления в системе. Для удобства извлечения блока уплотнений 39 цилиндра разгрузки 34 без разрушения его отдельных элементов и их многократного использования на верхнем торце иглы установлена шайба 40, с помощью которой уплотнение извлекается из расточки цилиндра разгрузки при удалении из него иглы 18. Шайба закреплена на игле болтом 41, имеющим сквозное осевое сверление 42. Аналогичную функцию выполняет бурт 43, выполненный на нижнем конце иглы и расположенный выше ее конуса 44, но ниже блока уплотнений 45 иглы в корпусе клапана. Оба блока уплотнений и поперечина одеваются на иглу через ее верхний конец перед установкой шайбы 40 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 с 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, оснащение газовой системы машины нормально-закрытыми клапанами с увеличенным условным проходом и газовым цилиндром разгрузки, соединенным с подклапанной полостью внутренним каналом, выполненным в игле клапана 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;
- полностью ликвидировать шумовую нагрузку на обслуживающий персонал при замене гидравлического сервопривода запорных клапанов пневматическим;
- значительно сократить длину запорной иглы и облегчить выполнение внутреннего канала малого диаметра.