БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ЗАТВОР
QUICK-ACTING GATE

Изобретение относится к области взрывных работ, защиты окружающей среды от взрывного воздействия и разработки технических устройств для локализации продуктов взрыва. Преимущественная область использования затвора - быстрое перекрытие трубопроводов, соединяющих, например, взрывные испытательные комплексы с внешней средой для исключения попадания продуктов взрыва, либо радиоактивных аэрозолей разрушенного образца во внешнюю среду.
Известен быстродействующий затвор [патент РФ №2023925 С1, МПК F16K 13/02, опубликован 30.11.1994], содержащий кожух, в котором установлены трубопровод с седлом и поворотная дисковая заслонка. Заслонка снабжена взрывным приводом и закреплена на трубопроводе при помощи рычагов. На наружной поверхности трубопровода, в зоне седла, установлен заряд взрывчатого вещества (ВВ) с системой инициирования, а на заслонке закреплен накольник, инициирующий детонацию заряда ВВ при соприкосновении заслонки с торцом седла, за счет чего деформируется стенка трубопровода, обжимающая заслонку, обеспечивая при этом герметичность перекрытия.
Недостатком известного затвора является достаточно большое время перекрытия трубопровода заданного диаметра, связанное с применением в конструкции затвора поворотной дисковой заслонки, которая двигается по дуге, не являющейся кратчайшей траекторией (не рациональная траектория), и наличием в затворе нескольких последовательно срабатывающих и взаимодействующих между собой узлов, что, кроме того, приводит к усложнению устройства и понижению его надежности.
Известен быстродействующий затвор [патент РФ на полезную модель №143275, МПК F16K 13/00,опуб. 20.07.2017 бюл. №20], содержащий корпус с проходным отверстием под трубопровод и заслонку, связанную с взрывным приводом и установленную в паз корпуса с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно оси трубопровода. В данном устройстве имеется седло, выполненное в виде двух клиновых пластин, закрепленных в корпусе и выполненных из материала менее жесткого, чем материал корпуса. Заслонка при этом выполнена в виде клина и соединена с приводом через стальной цилиндрический толкатель. Корпус выполнен составным, для обеспечения герметичности и исключения выхода загрязнения за его пределы в корпусе установлены уплотнительные элементы в стыках частей корпуса. Данный затвор принят за прототип.
В отличие от предыдущего аналога повышение быстродействия по перекрытию трубопровода в прототипе достигается за счет сокращения пройденного пути заслонкой, установленной с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно оси трубопровода. А надежность герметичного перекрытия трубопровода обеспечивается применением клиновидной формы в конструкции заслонки и седла, а также выполнением седла из менее жесткого материала, чем корпус.
Однако недостатком прототипа является относительно низкая надежность герметизации отверстия трубопровода (корпуса) после перекрытия его заслонкой. Герметизация в прототипе осуществляется за счет сил трения и деформации пластин седла (они выполнены из менее жесткого материала). Когда заслонка под давлением продуктов взрыва срабатывает, происходит расплющивание пластин седла с одновременным прижимом их к корпусу. Плотность прижатия должна обеспечить герметичность перекрытия. Такой способ не гарантирует надежную герметизацию, т.к. могут образовываться задиры металла, смятие, а при высоком давлении газообразных продуктов взрыва, содержащих аэрозоли высокотоксичных продуктов, такой затвор не надежен. В случае неплотного перекрытия отверстия трубопровода, аэрозоли могут попасть во внутреннюю полость (паз) корпуса и в трубопровод за заслонкой, что является недопустимым.
Другим недостатком является недостаточное быстродействие перекрытия. К этому относится действие высокого давления газового потока на торец заслонки, которое препятствует движению заслонки при срабатывании, выталкивая ее, а также действие сил трения, возникающих при движении заслонки между пластинами седла, расклинивая (сминая) их. Кроме этого, снижение быстродействия связано с применением в устройстве толкателя заслонки, который увеличивает вес, величину хода передвигаемой заслонки и создает дополнительные трущиеся поверхности. Повысить быстродействие в прототипе возможно за счет повышения массы заряда ВВ, но в этом случае возникает вопрос обеспечения безопасности и повышения прочности конструкции. Кроме этого в прототипе используют подрыв «открытого» ВВ, что приводит к потере энергии взрыва и разрушительно воздействует на окружающую среду, т.е. отрицательно влияет на безопасность проводимой операции перекрытия трубопровода.
Решаемой технической задачей является разработка затвора, способного обеспечить надежное герметичное перекрытие трубопровода с высоким быстродействием.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности герметичного перекрытия трубопровода с высоким быстродействием.
Технический результат достигается тем, что быстродействующий затвор, содержащий корпус с проходным отверстием под трубопровод и заслонку, связанную с взрывным приводом и установленную в паз корпуса с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно оси трубопровода, согласно изобретению заслонка выполнена в виде пластины с высоким классом чистоты поверхности и имеет сквозное отверстие, соответствующее по размеру проходному отверстию корпуса, причем заслонка введена в паз между уплотнительными элементами, размещенными в выполненных со стороны паза кольцевых проточках концентрично проходному отверстию, при условии соосности отверстия заслонки с проходным отверстием корпуса, а кромка пластины имеет фигурный фланец, обращенный к взрывному приводу, помещенному в сообщающуюся с пазом полость, сформированную внутри корпуса или вне его.
Выполнение заслонки со сквозным отверстием, соответствующим по размеру (диаметру) проходному отверстию корпуса, а также введение заслонки в паз при условии соосности отверстия заслонки с проходным отверстием корпуса, дает возможность с обеспечением герметичности проходного отверстия точно позиционировать (соосно отверстию трубопровода) заслонку в пазу корпуса в исходном положении затвора (до перекрытия трубопровода), обеспечив свободное прохождение рабочей среды по трубопроводу через затвор. Кроме этого в заявляемом затворе на заслонку, установленную соосно своим отверстием с отверстием корпуса, давление действует равномерно по кольцевой поверхности ее отверстия, что существенно снижает усилие для ее перемещения, положительно влияя на быстродействие.
Выполнение заслонки в виде пластины с высоким классом чистоты поверхности и введение заслонки в паз между уплотнительными элементами, размещенными в выполненных со стороны паза кольцевых концентрично проходному отверстию проточках, обеспечивает герметичность затвора как в открытом положении трубопровода, так и после срабатывания затвора, а также обеспечивает быстродействие затвора по перекрытию трубопровода за счет малых сил трения при скольжении заслонки между уплотнительными кольцами (поверхность заслонки имеет шероховатость близкую к полировке, на уплотнительные кольца нанесена смазка), что существенно снижает усилия для ее перемещения по пазу корпуса.
Выполнение пластины, кромка которой имеет фигурный фланец, обращенный к взрывному приводу, помещенному в сообщающуюся с пазом полость, сформированную внутри корпуса или вне его, повышает быстродействие затвора за счет прямого воздействия продуктов взрыва на фигурный фланец заслонки, позволяет снизить потери энергии взрыва и повысить мощность нагружающего импульса на перемещение заслонки, позволяет направить энергию взрыва непосредственно на перемещение заслонки, снижая потери, в отличии от прототипа, где для перемещения заслонки использован дополнительный элемент - связанный с взрывным приводом стальной цилиндрический толкатель. А также повысить безопасность выполняемой операции перекрытия за счет исключения возможности разлета продуктов взрыва в окружающую среду.
Выполнение пластины с кромкой в виде фигурного фланца обеспечивает заклинивание заслонки за счет пластического деформировании фланца от действия продуктов взрыва и исключает возможность возникновения ее отскока, гарантируя надежность герметичного перекрытия трубопровода.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия повышения надежности герметичного перекрытия трубопровода с высоким быстродействием.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлена схема быстродействующего затвора в исходном положении;
на фиг. 2 представлена схема быстродействующего затвора после срабатывания.
Устройство выполнено следующим образом.
Быстродействующий затвор (фиг. 1-2) содержит разъемный стальной корпус, состоящий из двух частей 1, 2, в которых выполнено проходное отверстие 3 для входного и выходного патрубков трубопровода (не показано). Части 1, 2 корпуса соединены между собой с образованием паза 4, в который установлена связанная с взрывным приводом 5 заслонка 6 с возможностью поступательного перемещения перпендикулярно оси трубопровода. Заслонка 6 выполнена в виде пластины с высоким классом чистоты поверхности и имеет сквозное отверстие 7, диаметр которого соответствует диаметру проходного отверстия 3 корпуса. Заслонка 6 введена в паз 4 между двумя парами уплотнительных колец 8, размещенных в выполненных со стороны паза 4 кольцевых концентрично проходному отверстию 3 проточках, при условии соосности отверстий 3 и 7. Кромка пластины 6 имеет фигурный фланец 9 в виде, например, ласточкиного хвоста. Пластина 6 установлена в паз 4 так, что фланцем 9 обращена к взрывному приводу 5 с зарядом ВВ, помещенному в полость 10, сообщающуюся с пазом 4 для осуществления прямого воздействия на указанный фланец. Полость 10 может быть сформирована, например, как в самом корпусе, так и в скрепленном с корпусом отдельном корпусе 11.
Устройство работает следующим образом.
Быстродействующий затвор приводится в действие за счет энергии, выделяющейся при детонации заряда ВВ, размещенного в сформированной внутри корпуса полости 10. Нагружающий импульс передается заслонке 6. В результате чего заслонка 6 быстро набирает скорость, перемещается между уплотнительными кольцами 8 и надежно герметично перекрывает проходное отверстие 3. Перемещение заслонки 6 сопровождается пластической деформацией фигурного фланца 9, которая позволяет фиксировать заслонку 6 в пазу 4, исключая возможность возникновения обратного движения (отскока). При этом отверстие 7 заслонки, соответствующее проходному отверстию 3 корпуса, смещается на расстояние, большее диаметра отверстия 3, надежно и герметично перекрывая отверстие 3, при этом заслонка 6 остается обжатой кольцами 8. Степень обжатия кольцевых уплотнений 8 соответствует 15-30%. Величина поджатая тела заслонки 6 уплотнительными элементами 8 и стопорение ее в пазу 4 корпуса обеспечивают надежную герметизацию при перекрытии затвора.
Итак, повышение быстродействия затвора по перекрытию трубопровода достигается за счет малых сил трения при скольжении платины 6 между уплотнительными кольцами 8, перемещаясь по пазу 4 корпуса. Скорость перемещения заслонки 6 при перекрытии трубопровода зависит от величины давления газового потока в нем. В заявляемом затворе на заслонку 6, установленную соосно своим отверстием 7 с отверстием 3 корпуса, давление действует равномерно по кольцевой поверхности отверстия 7, что существенно снижает усилие для ее перемещения. Размещение заряда ВВ в полости 10 взрывного привода, совмещенной с пазом 4 корпуса затвора с возможностью прямого воздействия на фигурный фланец 9 заслонки, позволяет снизить потери энергии взрыва и повысить мощность нагружающего импульса на перемещение заслонки 6, а также повысить безопасность выполняемой операции перекрытия за счет исключения возможности разлета продуктов взрыва в окружающую среду. Надежность герметичного перекрытия трубопровода обеспечивается высоким классом чистоты поверхности (низкой шероховатостью) заслонки 6, применением уплотнительных элементов 8, установленных в кольцевых проточках корпуса, а также точностью позиционирования отверстия 7 заслонки относительно проходного отверстия 3 корпуса затвора в исходном и закрытом положениях заслонки. Заслонка 6, отверстие 7 которой в исходном положении установлено соосно проходному отверстию 3 корпуса, обеспечивает прохождение газового потока по трубопровду, исключая проникновение токсичных аэрозолей за его пределы, за счет герметизации (поджатия) контактных поверхностей с обеих сторон заслонки 6 и корпуса уплотнительными элементами 8. Перемещение заслонки 6 по пазу 4 корпуса затвора в конечное положение осуществляется при постоянном поджатом контакте тела заслонки 6 уплотнительными элементами 8. Высокое качество поверхности заслонки 6 повышает герметизирующую способность элементов уплотнения 8.
На предприятии были проведены испытания опытных образцов быстродействующего затвора. При диаметре перекрываемого канала ~50 мм и массе заряда ВВ ~12 г время перекрытия составило ~1,5 мс. Герметичность перекрытия подтверждена методиками и средствами регистрации, используемыми на предприятии.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении заявляемого изобретения при использовании следующей совокупности условий:
- заявляемый быстродействующий затвор относится к области взрывных работ, защиты окружающей среды от взрывного воздействия и разработки технических устройств для локализации продуктов взрыва;
- заявляемый быстродействующий затвор при использовании способен обеспечить повышение надежности герметичного перекрытия трубопровода с высоким быстродействием;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств.
Следовательно заявленный быстродействующий затвор соответствует условию «промышленная применимость».