ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН
SHUT-OFF AND CONTROL VALVE

Изобретение относится к области гидравлической аппаратуры, а именно, к напорным запорно-регулирующим клапанам, то есть клапанам, предназначенным для плавного регулирования расхода рабочей жидкости на участке между источником питания высокого давления и гидродвигателем от нуля (при полном перекрытии проходного сечения клапана) до соответствующего максимума (при открытии проходного сечения клапана на максимальную величину), и может быть использовано, в частности, в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.
Известен запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями    запорно-регулирующего    элемента   и  крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом, запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, одна из двух полостей, образованных этим поршнем с корпусом и крышкой клапана, является надклапанной, а другая соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента. См. Запорно-регулирующий клапан, Патент РФ № 96924, МПК F16K39/02, F16K47/02, заявлено 03.02.2009, опубликовано 20.08.2010.
Недостатком известного запорно-регулирующего клапана является наличие поперечных высокочастотных вибраций   запорно-регулирующего элемента с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком. Это обусловлено тем, что положение запорно-регулирующего элемента во входной полости свободное. Поперечные вибрации запорно-регулирующего элемента приводят к износу и увеличению зазора между цилиндрической частью запорно-регулирующего элемента и внутренней поверхностью расточки корпуса и вымыванию уплотнений. Недостатком клапана является также отсутствие фильтрующего элемента, препятствующего прохождению мусора и отсутствие прижима седла клапана. Все это отрицательно сказывается на работе клапана в целом и снижает его надежность.
Кроме того, клапан имеет следующие недостатки. Для обеспечения функции самозакрытия клапана в нештатных ситуациях, диаметр штока клапана должен не превышать определенную величину. Однако, при уменьшении диаметров проходного сечения клапана существенно уменьшается диаметр штока клапана. Это, в конечном итоге, приводит к снижению надёжности работы клапана, прочности и жесткости запорно-регулирующего элемента при уменьшении диаметра проходного сечения, что снижает работоспособность клапана.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является принятый в качестве прототипа запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом,  при этом запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, одна из двух полостей, образованных этим поршнем с корпусом и крышкой клапана, является надклапанной, а другая соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента, кроме тогово входной полости клапана установлена соосная запорно-регулирующему элементу с  буртом цилиндрическая    втулка с радиальными отверстиями, при этом  цилиндрическая втулка установлена в контакте с торцевой поверхностью седла и с противоположной ей поверхностью входной полости,  а цилиндрическая поверхность бурта  запорно-регулирующего элемента установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки. См. Запорно-регулирующий клапан, Патент РФ № 208 659, МПК F16K39/02, F16K47/02, заявлено 26.04.2021, опубликовано 29.12.2021.
Данный запорно-регулирующий клапан обеспечивает фильтрование рабочей жидкости, а также исключает поперечные высокочастотные вибрации запорно-регулирующего элемента путем введения в конструкцию клапана соосной запорно-регулирующему элементу цилиндрической втулки с радиальными отверстиями.
Недостатком указанного запорно-регулирующего клапана является жёсткое  ограничение, накладываемое на величину диаметра направляющей цилиндрической  части запорно-регулирующего элемента определяемое зависимостью:
как необходимое условие выполнения надежного герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях.
Здесь
н
D - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего
элемента;
п.з.
D - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента, принимается на основании информации о потребном диаметре Dy условного прохода запорно-регулирующего клапана (Dn.з≈ Dy) или о его потребной пропускной способности при заданном перепаде давления;
пит
р -  постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана;
приж
Р – значение результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий, элемент прижимающей его к седлу необходимое для обеспечения герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана.
Однако это приводит либо к существенному уменьшению диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, либо к снижению величины силы, прижимающей запорно-регулирующий элемент к седлу.
Уменьшение диаметра негативно отражается на прочностных характеристиках запорно-регулирующего элемента, в частности, уменьшение запаса устойчивости от действия осевой силы  сжатия на участке цилиндрической направляющей запорно-регулирующего элемента, а также уменьшение жёсткости участка цилиндрической направляющей запорно-регулирующего элемента при действии на него гидродинамических сил в поперечном оси клапана направлении.
Снижение величины силы, прижимающей запорно-регулирующий элемент к седлу  приводит к снижению напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла и, как следствие, ухудшению герметичности разделения входного и  выходного каналов в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана).
Таким образом, выбор величины диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, требует компромиссного решения в достаточно узком диапазоне значений, тем более трудно реализуемого, чем меньше диаметр условного прохода запорно-регулирующего клапана.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, обладающего при фиксированном значении площади проходного сечения повышенной надежностью герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях, не ограниченных при этом величиной диаметра условного прохода клапана без снижения прочностных характеристик запорно-регулирующего элемента клапана, что обеспечивает повышенную надёжность работы клапана.
Для решения поставленной задачи в известном запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус  с присоединительными входным и выходным каналами,  в расточке которого установлено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском и проходным отверстием, в расточке корпуса размещен запорно-регулирующий элемент с соосными  направляющей цилиндрической частью, сопрягающейся с запорной фаской  по наружному диаметру, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, при этом конец штока через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана,   в расточке корпуса выполнена входная полость, соединённая с входным каналом, в которой установлена соосная запорно-регулирующему элементу с цилиндрической направляющей, цилиндрическая втулка с радиальными отверстиями, кроме того, запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним   поршнем,  размещённым внутри  соосной запорно-регулирующему элементу  расточки корпуса, с возможностью  скольжения поршня  по  внутренней поверхности расточки, поршень с расточкой корпуса и
согласно изобретению
крышкой образует полость, которая соединена с выходным каналом посредством отверстия, и полость, которая соединена с дренажным отверстием, цилиндрическая поверхность направляющей запорно-регулирующего элемента установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки, поршень выполнен двухступенчатым, размещённым внутри  соосной запорно-регулирующему элементу  расточки корпуса, выполненной двухступенчатой, с возможностью  скольжения поршня  по обеим внутренним поверхностям расточки, при этом диаметр поршня первой ступени, ближнего к входному отверстию, превышает диаметр поршня второй ступени, более удаленного от входного отверстия, поршень  корпуса образует в первой ступени расточки корпуса полость, которая  соединена с входным каналом посредством отверстия.
Выполнение цилиндрической поверхности направляющей  запорно-регулирующего элемента  с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки и выполнение поршня запорно-регулирующего элемента  двухступенчатым позволяет  при фиксированном значении площади проходного сечения повысить надежность герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях не ограниченных при этом величиной диаметра условного прохода клапана без снижения прочностных характеристик запорно-регулирующего элемента клапана, что обеспечивает повышенную надёжность работы клапана.
пит
вых
вых
При этом диаметр поршня первой ступени, ближнего к входному отверстию превышает диаметр поршня второй ступени, более удаленного от входного отверстия, образуя, таким образом два гидроцилиндра, один, из которых, (нижний) под действием постоянного давления питания р создаёт постоянно действующую силу, передаваемую на запорно-регулирующий элемент и направленную в сторону седла, что устраняет необходимость выполнять соответствующие поверхности непосредственно на запорно-регулирующем элементе, и уменьшать, тем самым, диаметр его цилиндрической направляющей части. Сила, создаваемая вторым (верхним) гидроцилиндром под действием давления в выходном канале клапана р, и передаваемая на запорно-регулирующий элемент и направленная в сторону седла, уравновешивает силу, создаваемую действием давления рв выходном канале клапана непосредственно назапорно-регулирующий элемент.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена конструктивная схема запорно-регулирующего клапана.
Запорно-регулирующий клапан содержит корпус 1 с присоединительными входным и выходным каналами 2, 3 (соответственно).  В расточке корпуса 1 установлено седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском 6 и проходным отверстием 7.  В расточке корпуса 1 размещен запорно-регулирующий элемент 8 с соосными направляющей цилиндрической частью 9, сопрягающейся с запорной фаской 10  по наружному диаметру 11, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском 12, регулирующим хвостовиком 13 и штоком 14. Конец штока 14 через уплотненное отверстие в крышке 15, герметично закрывающей корпус 1 клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 8 со стороны, противоположной его седлу 4, выходит за пределы корпуса 1 клапана.   В расточке корпуса 1 выполнена входная полость 16, соединённая с входным каналом 2 Во входной полости 16 установлена соосная запорно-регулирующему элементу 8 с цилиндрической направляющей 9 цилиндрическая втулка 17 с радиальными отверстиями 18.  Запорно-регулирующий элемент 8 выполнен с жестко соединенным с ним   поршнем 19, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу 8 расточки 20 корпуса 1, с возможностью скольжения поршня 19  по  внутренней поверхности расточки 20. Поршень 19 с расточкой  20 корпуса 1 и крышкой 15 образует полость 21, которая  соединена с выходным каналом 3 посредством отверстия 22, и полость 23, которая соединена с дренажным отверстием 24. При этом цилиндрическая поверхность направляющей 9 запорно-регулирующего элемента 8 установлена с возможностью скольжения по внутренней поверхности цилиндрической втулки 17. Поршень 19 выполнен двухступенчатым, размещённым внутри соосной запорно-регулирующему элементу 8 расточки 20 корпуса 1, выполненной также двухступенчатой, с возможностью скольжения поршня 19 по обеим внутренним поверхностям расточки 20. При этом диаметр поршня 19 первой ступени 25, ближнего к входному отверстию 2, превышает диаметр поршня второй ступени 26, более удаленного от входного отверстия 2.  Поршень 19 корпуса 1 образует в первой ступени расточки 20 корпуса 1 полость 27, которая соединена с входным каналом 2 посредством отверстия 28.
Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом.
к
При закрытом проходном сечении клапана (при наличии контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент 8 с результирующим усилием Р, направленным в сторону противоположную седлу 4.
к
н
к.н.
2
2
где А= π(D-D)/4  - эффективная площадь, выступающей за наружный диаметр поверхности контакта,  части запорной фаски 10.
н
D - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента 8.
к.н.
D - наружный диаметр поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4;
пит
р - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана.
н
к.н.
Поскольку D≈D и их разность обусловлена технологией изготовления, в частности технологией совместной притирки уплотнительной фаски 5 седла 4
к
и запорно-регулирующего элемента 8, площадь Адостаточно мала и в большинстве случаев может не приниматься во внимание.
пит
п1
п1
Кроме указанной силы, действующей на запорно-регулирующий элемент 8 непосредственно от рабочей жидкости с давлением р,  жидкость действует на эффективную поверхность поршня 19 первой ступени 25 с усилием Р, передаваемое от поршня 19 на запорно-регулирующий элемент 8. Сила Р направлена в сторону седла 4, определяется как:
п1
п1
п2
2
2
где А =π(D-D)/4 - эффективная площадь поршня 19 первой ступени 25,
п1
D- диаметр поршня 19 первой ступени 25,
п2
D- диаметр поршня 19 второй ступени 26.
п1
к
Результирующая сила, прижимающая запорно-регулирующий элемент 8 к седлу 4 определяется как разность сил Р и Р:
Контактное напряжение между фаской 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаской 5 седла 4 определяется выражением:
к.н.
к.в
где D, D-соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4.
п1
к
Значение площади А выбирается из условия создания контактного напряжения между фаской 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаской 5седла 4, с учётом действия силы Р, действующей в противоположном направлении, достаточного для обеспечения герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана, определяется выражением:
п1
пит
Согласно выражению (3) величина силы Р, создаваемой поршнем 19 первой ступени 25 линейно зависит от величины давления р и сохраняет значение на всём диапазоне открытия запорно-регулирующего элемента 8.
При открытом проходном сечении клапана (при отсутствии контакта запорной фаски 10 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 (при пренебрежении, в частности, дополнительной силой воздействия
к
со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 8, связанной с изменением количества движения жидкости при прохождении ею через открытое запорно-регулирующим элементом 8 проходное сечение) рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент 8 с результирующим усилием Р,
н
н
н
2
где A - площадь поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента 8, A = π D /4
вых
пит
р - давление в выходном канале клапана изменяется от 0 до р.
к
вых
Сила Руравновешивается силой действия рабочей жидкости с давлением р на эффективную площадь второй ступени 26, для чего должно быть выполнено условие:
н
п2
А=А
шт
D– диаметр штока 14 запорно-регулирующего элемента 8.
вых,
пит
п1
п1
Таким образом, запорно-регулирующий элемент находится в гидростатическом равновесии от действия давления рабочей жидкости в выходном канале клапана р при любом его значении из указанного выше диапазона его изменения. Давление во входном канале клапана (давления питания) р создаёт силу Р, постоянно действующую на запорно-регулирующий элемент, в направлении его седла, таким образом, реализация предлагаемого изобретения гарантирует повышенную надежность герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана). При растормаживании выходного звена управляющего привода (например, из-за исчезновения питания данного привода) запорно-регулирующий элемент  под действием на него со стороны рабочей жидкости силы Р смещается в направлении своего седла  до упора в него, перемещая вместе с собой выходное звено управляющего привода. В результате, проходное сечение запорно-регулирующего клапана закрывается, что позволяет предотвратить аварийные ситуации, связанные с отказом управляющего привода.
При этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента не ограничен величиной диаметра условного прохода запорно-регулирующего клапана и принимает максимальное, для данного условного прохода, значение чем обеспечиваются повышенные прочностные характеристики клапана и увеличение межремонтного срока службы клапана. Отсутствие в конструкции запорно-регулирующего элемента бурта, диаметр которого превышает диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, упрощает конструкцию запорно-регулирующего клапана, его изготовление и сборку (то есть повышает его технологичность). Запорно-регулирующий клапан может быть использован в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.