Регулируемый сильфонный гидровытеснитель

Полезная модель регулируемого сильфонного гидровытеснителя относится к гидравлическому оборудованию, а именно к объемным гидромашинам, и может быть использована для передачи энергии одной рабочей среды другой рабочей среде без их соприкосновения между собой, например, в гидрофицированных гипербарических промышленных и исследовательских установках (камерах).
В соответствии с ГОСТ 17752 - 81, гидровытеснитель (пневмовытеснитель, пневмогидровытеснитель), это объемная гидромашина, предназначенная для преобразования энергии одного потока рабочей среды в энергию другого потока без изменения значения давления.
Известны конструкции пневмовытеснителей (гидровытеснителей) с жесткими или упругими (гибкими) разделителями рабочих сред, функции которых выполняют соответственно поршни и мембраны (Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. Под общ. ред. Е.В. Герц. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 64, глава 3, раздел 3.1. Пневмовытеснители). Поршневые гидровытеснители не обеспечивают надежную герметизацию впускной и выпускной полостей, а, следовательно, надежное разделение рабочих сред, которые при высоких давлениях могут перетекать из полости в полость через гарантированный зазор между поршнем и поверхностью полости, а гидровытеснители с плоскими металлическими мембранами или плоскими эластичными мембранами, допускающими весьма незначительные по величине прогибы, не обеспечивают нужные объемы вытесняемой рабочей среды, т.е. имеют ограниченные технологические возможности.
В качестве прототипа взята конструкция пневмовытеснителя мембранного типа для подачи рабочей жидкой среды в бесштоковую полость являющегося потребителем гидроцилиндра одностороннего действия (Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. под общ. ред. Е.В. Герц. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 64, рис. 3.1), выполненного на базе сборного цилиндрического корпуса, состоящего из двух соосно и оппозитно расположенных и соединенных между собой чашек с фланцами по краю, и защемленной между ними по периметру фигурной эластичной мембраной, выполняющей функции разделителя рабочих сред, находящихся в образованных мембраной и чашками герметичных полостях, одна из которых, впускная, соединена с помощью отверстия в донной части чашки с трубопроводом для подвода рабочей среды в виде сжатого воздуха, а другая, выпускная, с находящейся в ней другой рабочей средой в виде жидкости (машинного масла), соединена с бесштоковой полостью потребителя в виде гидроцилиндра одностороннего действия с пружиной возврата поршня со штоком в исходное положение. При подаче сжатого воздуха во впускную полость, фигурная эластичная мембрана прогибается и вытесняет находящуюся в выпускной полости жидкость в бесштоковую полость гидроцилиндра, вызывая перемещение (выдвижение) поршня со штоком и сжатие пружины. При отключении подачи сжатого воздуха поршень со штоком под действием разжимающейся пружины возвращается в исходное положение, вытесняя жидкость из бесштоковой полости в выпускную полость, вызывая возврат мембраны в исходное положение и вытеснение воздуха из впускной полости.
Существенным недостатком прототипа следует считать отсутствие в его составе конструктивного элемента, обеспечивающего как возврат фигурной мембраны в исходное положение, так и возврат в выпускную полость вытесненного объема рабочей среды, без чего невозможно повторить цикл вытеснения. Для этой цели используется возвратная пружина гидроцилиндра, т.е. прототип лишен автономности, технологической и функциональной независимости от другого оборудования.
Если использовать прототип для подачи рабочей среды, например, жидкости в отдельно расположенную исследовательскую камеру, не имеющую в своем составе специального механизма вытеснения из нее рабочей среды обратно в выпускную полость пневмогидровытеснителя, невозможно осуществить быстрый и надежный возврат мембраны в исходное положение и быстрое надежное заполнение выпускной полости необходимым количеством (объемом) рабочей среды, поступающей из полости потребителя, обеспечивающим при повторении цикла вытеснения заданные параметры рабочей среды, поступающей в исследовательскую камеру (расход, давление), необходимые для проведения исследований. Это объясняется тем, что в конце падения давления в полости камеры -потребителя его величина становится недостаточной для преодоления сопротивления мембраны при ее возврате в исходное положение и сопротивления вытесняемой из впускной полости жидкой рабочей среды с большей, чем у воздуха вязкостью.
Из вышеизложенного следует, что конструкция прототипа имеет ограниченные технологические возможности, поскольку не обеспечивает быстрый и надежный возврат вытесненного объема рабочей среды в выпускную полость, необходимого для повторения цикла вытеснения.
Кроме того, гидровытеснитель такой конструкции нельзя применять в гидросистемах высокого (гипербарического) давлении (свыше 10 МПа), так как обладающий высокой текучестью эластичный материал мембраны, края которой используются для уплотнения стыка между фланцами чашек, образующих корпус, не может обеспечить надежную герметизацию полостей с рабочими средами и устранить их утечки (перетечки), поскольку при сжатии фланцев чашек в процессе их соединения, а также под действием высокого давления, этот материал будет выдавливаться из открытого в сторону полости зазора.
По причине изготовления эластичной мембраны из резины или упругого полимера нельзя использовать прототип для разделения химически агрессивных сред, например, кислотных сред, а также в условиях высоких температур, способных вызвать их разрушение или потерю механических свойств, т.е. снижение надежности.
Ожидаемым от заявляемой полезной модели техническим результатом является расширение технологических возможностей, повышение быстродействия и надежности многократного выполнения цикла вытеснения необходимого (заданного) объема (количества) рабочей среды с требуемым неизменным значением давления при автономном (независимом) применении в составе различных гидравлических систем и установок с камерами - потребителями большого объема и с высоким (гипербарическим) давлением рабочей среды.
Достижение указанного результата осуществляется за счет того, что в регулируемом сильфонном гидровытеснителе, содержащем корпус, образованный двумя соединенными между собой цилиндрическими чашками с фланцами по краям, соосно и оппозитно расположенными наружу донными частями с отверстиями для подвода одной рабочей среды в полость одной из чашек, являющуюся впускной, соединенную с источником давления, и отвода другой рабочей среды из являющейся выпускной полости другой чашки в полость потребителя, а также установленный между чашками разделитель рабочих сред, последний выполнен в виде жесткого диска, к которому с двух сторон прикреплены одним из своих концов металлические сильфоны с герметично закупоренными пробками отверстиями свободных концов, причем сильфоны, размещенные во впускной и выпускной полости прикреплены с возможностью упругого сжатия и упругого растяжения, соответственно, до контакта пробок с соосно установленными им в донной части чашки с выпускной полостью регулируемыми резьбовыми упорами, герметичные полости сильфонов соединены сквозными отверстиями в диске соответственно с выпускной и впускной полостью, упоры сильфонов, размещенных во впускной полости, взаимодействуют с их пробками через отверстия в диске, а обращенные к диску торцовые поверхности фланцев чашек снабжены закрытыми в радиальных направлениях кольцевыми канавками для уплотнений.
Между совокупностью заявляемых признаков полезной модели и ожидаемым техническим результатом, получаемым с помощью предлагаемой конструкции гидровытеснителя, существует следующая причинно-следственная связь.
Во-первых, применение в конструкции гидровытеснителя сильфонов, представляющих собой металлические гофрированные цилиндрические тонкостенные упругие в осевом направлении оболочки, с величиной допустимых упругих деформаций (перемещений в одну сторону) 5-15% от их длины в свободном состоянии (Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. под общ. ред. Е.В. Герц. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 45, раздел 2.3), входящих в состав разделителя рабочих жидких сред, расширяет технологические возможности, придает конструкции автономность, поскольку обеспечивает как вытеснение требуемого количества рабочей среды из выпускной полости корпуса при растяжении одних и сжатии других сильфонов, так и ее поступление (всасывание) в таком же количестве в эту полость за счет создаваемого в ней разрежения при их, соответственно, сжатии и растяжении, т.е. при возвращении в исходное положение (свободное состояние), исключая, тем самым, необходимость иметь специальные механизмы (упругие элементы) в составе устройств или сосудов, являющихся потребителями, обеспечивающих возврат в нужном количестве рабочей среды в выпускную полость, необходимого для повторения цикла вытеснения.
Во-вторых, конструкция разделителя рабочих сред, выполненная на базе жесткого диска, расположенного между фланцами чашек, образующих корпус гидровытеснителя, позволяет использовать стандартные кольцевые уплотнения, размещаемые в специальных закрытых в радиальных направлениях канавках на торцовых поверхностях чашек корпуса, обеспечивающие надежную герметизацию его полостей (см., например, Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т.Т. 3. - Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. - С. 271, глава III -Уплотнительные устройства).
В-третьих, не изменяя размеры и количество сильфонов, можно, изменяя с помощью регулируемых упоров величину их деформации в пределах упругости в осевом направлении, изменять количество вытесняемой рабочей среды в полость сосуда-потребителя, учитывая потери давления, связанные с упругой деформацией сильфонов, а также колебания входного давления, и, тем самым, обеспечить в полости потребителя с требуемой точностью заданное давление, необходимое для проведения исследований или осуществления заданного технологического процесса.
В-четвертых, металлические сильфоны, изготовленные из химически стойких и тугоплавких материалов, например, из титанового упругого сплава, позволяют использовать заявляемую конструкцию как для высокотемпературных технологических процессов, так и для техпроцессов, требующих использования химически агрессивных рабочих сред.
На фиг. 1 показана конструкция регулируемого сильфонного гидровытеснителя в разрезе; на фиг. 2 - сечение по А - А конструкции с фиг. 1.
вп
вып
Регулируемый сильфонный гидровытеснитель (фиг. 1 и 2) состоит из двух цилиндрических чашек 1 и 2 с соединительными фланцами 3 по краям, соосно и оппозитно расположенными относительно друг друга донными частями наружу, и образующими с размещенным между ними разделителем рабочих сред в виде диска 4 соответственно впускную объемом V и выпускную объемом V герметичные полости.
вх
вых
Впускная полость соединена с помощью отверстия 5 с источником давления р одной рабочей среды, а выпускная полость со второй рабочей средой, находящейся под давлением р, соединена с помощью отверстия 6, трубопровода 7 с полостью сосуда - потребителя (камеры) высокого давления 8, объемом Vk.
К разделительному диску с двух сторон, т.е. со стороны выпускной и впускной полости, прикреплены со стороны отверстий одних из своих концов соответственно сильфоны 9 и 10 длиной L, а отверстия их других, свободных концов закупорены с помощью сварки пробками 11 в виде дисков. Образованные таким образом внутренние герметичные полости сильфонов соединены соответственно отверстиями 12 и 13 с впускной и выпускной герметичной полостью корпуса гидровытеснителя.
Сильфоны прикреплены к диску со стороны выпускной и впускной полостей с возможностью упругого осевого растяжения ΔLp и сжатия ΔLc, соответственно.
Величина осевого перемещения в пределах упругой деформации свободных концов работающих на растяжение сильфонов регулируется винтовыми упорами 14, а сильфонов, работающих на сжатие, винтовыми упорами 15, установленными в донной части чашки с выпускной полостью, причем последние взаимодействуют с пробками через отверстия в диске и полости соответствующих сильфонов.
Герметизация полостей обеспечивается кольцевыми уплотнениями 16, установленными в кольцевых канавках на обращенных к разделительному диску торцовых поверхностях фланцев чашек, причем канавки для предотвращения выдавливания колец в уплотняемые зазоры выполнены закрытыми в радиальных направлениях.
Работает регулируемый сильфонный гидровытеснитель следующим образом.
Перед началом выполнения цикла вытеснения, из впускной и выпускной полости, а также из полости потребителя - сосуда 8 удаляется воздух, и они заполняются полностью соответствующими рабочими жидкими средами под одинаковым давлением.
вх
P
вых
вх
к
При подаче через отверстие 5 во впускную полость рабочей жидкой среды под давлением р (фиг. 1 и 2), соединенные с ней отверстиями 12 полости сильфонов 9, имеющих в свободном состоянии длину L, заполняются, вызывая их растяжение (удлинение) в осевом направлении на величину ΔL, а сильфоны 10, полости которых соединены отверстиями 13 с выпускной полостью и заполнены находящейся в ней рабочей средой, сжимаются в осевом направлении на величину ΔLc и осуществляют вытеснение из выпускной полости корпуса части находящейся в ней рабочей жидкой среды под давлением р=р в полость потребителя 8 объемом V.
P
Объем вытесняемой рабочей среды зависит от диаметра сильфонов d и величин перемещения их свободных концов при растяжении ΔL и сжатии ΔLc, которые равны между собой. Величина необходимого перемещения в пределах допустимой упругой деформации, с целью создание в выпускной полости требуемого давления рабочей среды, устанавливается с помощью регулируемых резьбовых упоров 14 и 15, соответственно.
Отсутствие перепада давлений в полостях корпуса и сильфонов исключает деформацию сильфонов в радиальном направлении.
При отключении подачи рабочей среды во впускную полость корпуса, сильфоны 9 сжимаются, а сильфоны 10 разжимаются в осевом направлении под действием давления поступающей в выпускную полость из полости потребителя рабочей среды, а также под действием накопленной в них при растяжении и сжатии энергии упругой деформации, возвращаясь тем самым в исходное свободное состояние и создавая в выпускной полости разрежение, т.е. падение давления находящейся в ней рабочей среды, вызывающее всасывание в нее из полости потребителя 8 рабочей среды в объеме, равном вытесненному ранее объему. При этом упругий возврат сильфонов в исходное состояние способствует ускоренному вытеснению рабочей среды из впускной полости.
Размерные параметры сильфонов и величина их осевой деформации, обеспечивающие достижение поставленной цели, определяются следующим образом.
вых
к
-5
2
3
3
3
3
Например, требуется обеспечить вытеснение рабочей жидкой среды под давлением р=15 МПа=150⋅10 Н/м в сосуд (камеру), объем полости которого V составляет 0,1 м или 100 литров (1 м=10 дм=1000 л).
Коэффициент сжатия находящейся в нем рабочей жидкой среды
к
где ΔV - изменение объема рабочей среды в полости сосуда (камеры);
Δр - изменение давления рабочей среды в полости сосуда.
Здесь формула (1) - аналог формулы 1.1 из (Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Под ред. Б.Б. Некрасова. Минск, Вышяйш. Школа, 1976. -С. 12, параграф 1.2).
Приняв (для примера) коэффициент сжатия вытесняемой рабочей среды равным коэффициенту сжатия воды
р
-11
-11
2
β=48,5⋅10 1/Па=48,5⋅10м/Н
p
(β получено расчетом из среднего изотермического модуля упругости для воды из Таблицы 1.6 на стр. 13 Справочного пособия по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам, полная ссылка приведена выше), изменение объема рабочей среды в сосуде (камере)
к
-3
3
ΔV=VкΔр βр≅0,73⋅10 м=0,73 л
c
Объем вытесняемой рабочей среды каждым из сильфонов ΔV с размерными параметрами d=0,1 м - диаметр, L=0,1 м - длина в свободном состоянии, при длине рабочего хода (растяжения или сжатия)
P
-3
ΔL=ΔL=ΔLc=15⋅10 м,
т.е. 15% длины сильфона в свободном состоянии
c
2
-3
3
ΔV=(πd/4)ΔL≅0,12⋅10m=0,12 л
Следовательно, для вытеснения рабочей жидкой среды объемом 0,73 литра, требуется иметь в составе гидровытеснителя 6 сильфонов, (0,73/0,12≅6,08) размещенных по три на каждой стороне диска 4, являющегося разделителем рабочих сред.
В случае вытеснения рабочей среды при меньшем давлении во впускной полости, чем в рассмотренном примере, величина рабочего хода (величина растяжения / сжатия) при полностью заполненных выпускной полости и полости потребителя (сосуда) будет соответственно меньше.
Двустороннее размещение сильфонов на диске - разделителе позволяет значительно уменьшить его диаметр, а, следовательно, и диаметр образующих корпус чашек, требуемая минимальная толщина стенок которых при заданном давлении в полостях чашек и допускаемых кольцевых напряжениях в материале стенок зависит от их радиуса. Таким образом, уменьшение радиуса чашек приведет к снижению металлоемкости и уменьшению затрат, связанных с их изготовлением, а уменьшение габаритных размеров упрощает использование таких гидровытеснителей в составе промышленного и исследовательского оборудования.