ШАРОВОЙ КРАН С КЛИНОВЫМ ПОДЖАТИЕМ ПЛАВАЮЩИХ СЕДЕЛ К ПРОБКЕ
BALL VALVE WITH FLOATING SEATS WEDGE PRESSING TO PLUG

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, преимущественно к кранам с поворотными пробками, имеющими седловую сферическую поверхность, а именно к приспособлениям для раздвигания или взаимного прижатия уплотняющих поверхностей.
Известен шаровой кран, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в которых размещены плавающие седла, шаровую пробку, установленную между плавающими седлами, снабженными уплотнениями, и выполненную с возможностью перекрытия потока рабочей среды при повороте пробки шпинделем, снабженным приводной рукояткой (патент CN 1614271 (заявка CN 20031108434 приоритет 2003-11-06), МПК F16K 5/06, опубликовано: 2005-05-11).
Данное техническое решение является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату, поэтому принято за прототип.
Недостатками прототипа являются невысокие эксплуатационные качества вследствие затрудненного управления из-за постоянной повышенной нагрузки на рукоятку крана и невысокая долговечность из-за непрерывного трения между пробкой и уплотнениями.
Технический результат от использования заявленного устройства заключается в улучшении эксплуатационных качеств за счет облегчения управления и в повышении долговечности уплотнений и шаровой пробки в результате ограничения периода их соприкосновения.
Ниже приведены общие и частные существенные признаки, характеризующие причинно-следственную связь изобретения с указанным техническим результатом.
Шаровой кран с клиновым поджатием плавающих седел к пробке содержит корпус с входным и выходным патрубками, в которых размещены плавающие седла, шаровую пробку, установленную между плавающими седлами, снабженными уплотнениями, и выполненную с возможностью перекрытия потока рабочей среды при повороте пробки через передаточное звено шпинделем, снабженным приводной рукояткой. Шпиндель с приводной рукояткой, передаточное звено и плавающие седла с уплотнениями кинематически объединены в механизм уплотнения пробки, в котором передаточное звено выполнено в виде поворотного диска, связанного со шпинделем с возможностью поворота последнего с диском и шаровой пробкой на угол 90°. На наружной поверхности диска выполнены две цилиндрические ступени, верхняя из которых, большего диаметра, расположена над плавающими седлами, а нижняя, меньшего диаметра, находится в соприкосновении с противолежащими плавающими седлами и имеет диаметр, не превышающий расстояния между плавающими седлами в положении их минимального удаления от соответствующих патрубков. На ступени диска меньшего диаметра диаметрально противоположно вдоль оси диска выполнены плоские параллельные срезы, имеющие в средней части выступы протяженностью от среза до наружной поверхности ступени диска большего диаметра и выполненные с возможностью зацепления при повороте диска с открытыми пазами, выполненными на торцевой поверхности каждого плавающего седла в положении их максимального удаления друг от друга. В зоне контакта каждого патрубка с соответствующим плавающим седлом в последнем выполнен по винтовой линии вокруг его оси, по меньшей мере, один круговой выступ, сопряженный с ответной тождественной поверхностью, образованной по винтовой линии на торце внутренней поверхности соответствующего патрубка с возможностью перемещения обоих плавающих седел к шаровой пробке при повороте диска в сторону закрытия шарового крана.
Устройство иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлен продольный разрез шарового крана; на фиг. 2 - механизм уплотнения пробки, изометрия; на фиг. 3 представлен патрубок в изометрии; на фиг. 4 - продольный разрез патрубка с плавающим седлом на виде сбоку; на фиг. 5 - то же, что и на фиг. 4, вид спереди; на фиг. 6 - плавающее седло, вид сбоку; на фиг. 7 - вид спереди на фиг. 6; на фиг. 8 - поворотный диск, вид сбоку; на фиг. 9 - вид А на фиг. 8; на фиг. 10 - изображена винтовая передача; на фиг. 11 - треугольник сил образуемых в винтовой передаче; на фиг. 12 - треугольник сил в винтовой передаче при равномерном вращении на закрытие; на фиг. 13 - треугольник сил в винтовой передаче при равномерном вращении на открытие; на фиг. 14 - взаимодействие поворотного диска с плавающими седлами, шаровой кран открыт; на фиг. 15 - взаимодействие поворотного диска с плавающими седлами, шаровой кран закрыт на 70…80%; на фиг. 16 - взаимодействие поворотного диска с плавающими седлами, шаровой кран полностью закрыт поворотным диском с возможностью поджатия плавающих седел давлением среды.
Шаровой кран с клиновым поджатием плавающих седел к пробке содержит корпус 1 с патрубками 2, 3, в которых размещены плавающие седла 4 и 5, шаровую пробку 6, установленную между плавающими седлами 4 и 5, снабженными уплотнениями 7, и выполненную с возможностью перекрытия потока рабочей среды при повороте пробки 6 шпинделем 8, снабженным приводной рукояткой 9.
Шпиндель 8 с приводной рукояткой 9, передаточное звено в виде поворотного диска 10 и плавающие седла 4 и 5 с уплотнениями 7 кинематически объединены в механизм уплотнения пробки 6, в котором поворотный диск 10 связан со шпинделем 8 с возможностью поворота последнего с диском 10 и шаровой пробкой 6 на угол 90°.
На наружной поверхности диска 10 выполнены две цилиндрические ступени 11 и 12, верхняя из которых 11, большего диаметра, расположена над плавающими седлами 4 и 5, а нижняя ступень 12, меньшего диаметра, находится в соприкосновении с противолежащими плавающими седлами 4 и 5 и имеет диаметр, не превышающий расстояния Н между плавающими седлами 4 и 5 в положении их минимального удаления от соответствующих патрубков 2 и 3.
На ступени диска 10 меньшего диаметра 12 диаметрально противоположно вдоль оси диска 10 выполнены плоские параллельные срезы 13, имеющие в средней части выступы 14 протяженностью от соответствующего среза 13 до наружной поверхности ступени 11 большего диаметра диска 10 и выполненные с возможностью зацепления при повороте диска 10 с открытыми пазами 15, выполненными на торцевой поверхности каждого плавающего седла 4 и 5 в положении их максимального удаления друг от друга.
В зоне контакта каждого патрубка 2 и 3 с соответствующим плавающим седлом 4 и 5 в последнем выполнен по винтовой линии вокруг его оси, по меньшей мере, один круговой выступ 16, сопряженный с ответной тождественной поверхностью 17, образованной по винтовой линии на торце внутренней поверхности соответствующего патрубка 2 и 3 с возможностью перемещения обоих плавающих седел 4 и 5 к шаровой пробке 6 при повороте диска 10 шпинделем 8 рукояткой 9 в сторону закрытия шарового крана.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, включая характеристику назначения. Т.е. совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Данное техническое решение промышленно применимо, поскольку в описании к заявке и названии изобретения указано его назначение, оно может быть осуществлено промышленным способом для улучшения эксплуатационных качеств запорно-регулирующей арматуры в трубопроводах, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки, приведенные в формуле изобретения устройства позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.
Изобретение в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в патенте CN 1614271 (А), а также патентных документах CN 202176746 U, CN 202432003 U, GR 3018024 T3, ставшим общедоступным до даты приоритета изобретения.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное техническое решение не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, а в выявленных таких решениях не подтверждена известность влияния отличительных признаков на указанный в материалах заявки технический результат.
Т.е. заявленное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование этих признаков в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат - улучшение эксплуатационных качеств за счет облегчения управления и в повышении долговечности уплотнений и шаровой пробки в результате ограничения периода их соприкосновения.
Следовательно, предложенное техническое решение может быть получено только путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Устройство может быть осуществлено следующим образом.
Данное техническое решение относится к типоразмерному ряду запорных шаровых кранов (далее КШ) DN50…DN500 из полимерных композиционных материалов (далее ПКМ), предназначенных для управления агрессивными рабочими средами с температурным диапазоном от минус 60 до +150°C и давлением до 2,5 МПа.
При этом при реализации устройства предусмотрены следующие эксплуатационные требования: КШ должны иметь фланцевое присоединение к трубопроводу; конструкция КШ должна обеспечивать возможность удобной замены быстроизнашивающихся уплотнительных элементов.
Исходя из действующих технических требований, разработанная по изобретению конструкция КШ имеет максимальный проход до DN500, что согласно рекомендациям СТО ГАЗПРОМ предполагает применение конструктивного типа «пробка в опорах».
Для первоначального уплотнения запорного органа при низком дифференциальном давлении в заявляемом КШ из ПКМ применен механизм поджима плавающих седел, что позволило отказаться от пружин. Уникальность технического решения состоит в том, что поджим происходит только в конечный момент закрытия. При этом, как и в классическом КШ, при увеличении давления у седла сохраняется способность поджиматься к шару за счет силы давления рабочей среды, воздействующей на само седло.
Поджим уплотнений только в конечный момент закрытия шарового крана позволяет осуществлять 70…80% поворота шаровой пробки без контакта с уплотнениями седел. В результате этого снижается момент при управлении КШ, уменьшается износ шаровой пробки и уплотнений седел и продлевается срок службы КШ.
Мелкие треугольные шлицы, на которых установлен диск на шпинделе, позволяют в процессе эксплуатации КШ при износе уплотнительных поверхностей седел произвести корректировку величины износа простой перестановкой диска на шпинделе на несколько выступов шлицев. В этом случае седла будут поворачиваться на больший угол и при этом перемещаться на большее расстояние в осевом направлении.
Винтовые выступы на седлах и патрубках - это преобразованная наклонная поверхность, т.е. по сути клиновый зажим. Если развернуть винтовую линию выступа на плоскость, то получим следующую схему (фиг. 10-13).
При вращении шпинделя диском на седлах создается окружное усилие Qd, с учетом сил трения возникает реакция R и осевое усилие Qo. Условие самоторможения будет обеспечено в случае, если α<ρ. То есть в закрытом КШ уплотнения седел будет прижато к поверхности шаровой пробки с постоянным усилием Qo, что без применения пружин гарантирует надежную герметичность КШ как при низких перепадах давления, так и при перепаде равном PN.
В заявляемом КШ из ПКМ окружное усилие Qd напрямую зависит от усилия на рукоятке крана, поэтому появляется уникальная возможность в случае возникновения протечек в запорном органе закрыть КШ «посильнее», как у клиновой задвижки или клапана, чего нет у основных производителей КШ.
Сила, необходимая для разжима клина, примерно в 2.5…3 раза меньше силы зажима.
Устройство работает следующим образом.
Конструкция диска 10 такова, что пока его выступы 14 не вошли в пазы 15 на седлах 4 и 5, последние зафиксированы от осевого перемещения. В этом положении между уплотнениями 7 седел 4 и 5 и сферической поверхностью шаровой пробки 6 имеется гарантированный зазор. При этом в открытом положении крана (фиг. 14) седла 4 и 5 заблокированы и не могут перемещаться в осевом направлении. В следующее положении (фиг. 15) диск 10 поворачивается вместе с пробкой 6 на угол примерно 70…80° до касания своими выступами 14 впадин 15, после чего происходит поворот седел 4 и 5 диском 10. В результате поворота седел 4 и 5 вокруг оси патрубка 2 и 3 седла за счет выполненных на них по винтовой линии выступов 15 и соответствующих им ответных впадин 17, выполненных по винтовой линии на торцах патрубков 2, 3, перемещаются в осевом направлении в пределах зазора, равного разнице размеров Н и h, и прижимаются к шаровой пробке 6. При этом расстояние Н между седлами начинает уменьшаться до размера h. На следующем этапе, в полностью закрытом положении крана, показанном на фиг. 16, уплотнения 7 прижаты к пробке 6, а плавающие седла 4 и 5 имеют возможность дополнительного поджатия давлением рабочей среды.
Мелкие треугольные шлицы, на которых установлен диск 10 на шпинделе 8, позволяют в процессе эксплуатации КШ при износе уплотнительных поверхностей седел 4 и 5 произвести корректировку величины износа простой перестановкой диска 10 на шпинделе 8 на несколько выступов шлицев. В этом случае седла 4 и 5 будут поворачиваться на больший угол и при этом перемещаться на большее расстояние в осевом направлении.
Использование изобретения позволяет: снизить момент при управлении, что дает возможность применять более дешевые электро- и пневмоприводы; уменьшить нагрузку на шпиндель крана, что позволит изготовить его из ПКМ, при этом повышается коррозиестойкость КШ, снижается его стоимость за счет отказа от дорогих высоколегированных коррозионностойких сталей, благодаря чему обеспечивается одинаковый коэффициент линейного расширения у всех деталей крана; улучшить эксплуатационные качества шарового крана за счет облегчения управления и повысить долговечность уплотнений и шаровой пробки в результате ограничения периода их соприкосновения.