МЕМБРАННЫЙ РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ДЛЯ ГАЗО- ИЛИ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ОПОРЫ
MEMBRANE FLOW RATE REGULATOR FOR GAS OR HYDROSTATIC SUPPORT

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в газо- и гидростатических опорах повышенной жесткости.
Известны мембранные регуляторы расхода, состоящие из входного и выходного устройств и мембраны, которая меняет проходное сечение выходного устройства при изменении перепада давления на мембране (см., например, патент Великобритании №1377349, кл. F2V, 1974 г.).
Известны также мембранные регуляторы расхода для питания газо- и гидростатических опор, содержащие корпус и крышку, между которыми защемлена упругая мембрана, в корпусе имеется подмембранная полость, а в крышке - надмембранная полость, снабженная седлом, имеющим проходное отверстие и круговой выступ, обращенный в сторону мембраны, причем обе упомянутые полости подключены к источнику давления, а проходное отверстие седла соединено с зазором газо- или гидростатической опоры (АС. СССР №679950 от 15.08.1979 г.).
Недостатком известных конструкций является чрезвычайно узкий диапазон эффективного применения, т.к. каждый регулятор может питать только одну конкретную опору или комплекс опор, причем только при конкретном питающем давлении. Любое изменение конструктивных и режимных параметров, причем даже в диапазоне допуска на изготовление геометрических размеров и обеспечения давления питания, существенно ухудшает характеристики опоры (комплекса опор).
Задачей изобретения является расширение области применения регуляторов и снижение чувствительности питаемых ими опор к неточности изготовления геометрических размеров как самих регуляторов, так и питаемых ими опор и отклонению питающего давления от номинального.
Указанная задача решается тем, что в известной конструкции мембранного регулятора расхода седло выполнено в виде гайки с наружной резьбой, которая снабжена контргайкой с такой же резьбой, причем контргайка имеет отверстие, диаметр которого больше, чем проходное отверстие седла, при этом крышка, в которой расположена надмембранная полость, может быть снабжена подвижной стенкой, имеющей внутреннюю и наружную резьбу, причем диаметр и шаг внутренней резьбы совпадает с диаметром и шагом гайки, а наружная резьба имеет шаг, отличный от шага внутренней резьбы, и эта подвижная стенка контактирует с дополнительной контргайкой, выполненной в виде кольца, внутренний диаметр которого больше, чем диаметр внутренней резьбы подвижной стенки, а в корпусе может быть установлена подпружиненная в направлении мембраны пята, причем пружина снабжена подвижной в ее осевом направлении опорой, выполненной в виде регулировочного винта, имеющего фиксатор положения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показано осевое сечение мембранного регулятора расхода.
Регулятор расхода состоит из корпуса 1 и крышки 2, между которыми защемлена упругая мембрана 3, которая совместно с корпусом 1 образует подмембранную полость 4 и с крышкой 2 - надмембранную полость 5. В крышке 2 установлена на наружной резьбе подвижная стенка 6, которая имеет внутреннюю резьбу с установленным в ней седлом 7 с проходным отверстием 8 и круговым выступом 9, обращенным в сторону мембраны 3. Подвижная стенка 6 зафиксирована контргайкой 10 в крышке 2, а седло 7 зафиксировано в стенке 6 контргайкой 11. Шаг наружной резьбы седла 7 отличается от шага наружной резьбы перегородки 6.
В корпусе 1 установлен регулировочный винт 12, выполняющий функцию подвижной в осевом направлении опоры пружины 13, которая прижимает пяту 14 к мембране 3 в направлении ее прогиба под действием перепада давления между полостями 4 (подключена к источнику давления через отверстие 15 и канал 16) и 5 (подключена к источнику давления через отверстие 17 и канал 16) и давлением в выходном отверстии 8, равном давлению в зазоре газо- или гидростатической опоры. Гайка 18 служит для фиксации винта 12. Шлицы 19, 20, 21 и 22, отверстия 23 и 24 служат для осуществления путем поворота регулировок положения и фиксации деталей, в которых они сделаны. Для обеспечения операций по регулировке и фиксации осевого положения седла 7 и перегородки 6 внутренние поверхности контргаек 11 и 10 имеют внутренние отверстия, большие, чем соответствующие диаметры отверстий седла 7 и перегородки 6.
Мембранный регулятор расхода работает следующим образом.
1
2
1
1
Рабочее тело (жидкость или газ) под давлением P через канал 16 и отверстия 15, 17 попадает в подмембранную 4 и надмембранную 5 полости. В первый момент времени мембрана 3 находится в ненапряженном состоянии и приподнята только усилием пружины 13, в связи с чем расстояние между поверхностью мембраны 3 и круговым выступом 9 велико, что приводит к быстрому истечению рабочей среды из полости 5 в отверстие 8 и падению в ней давления до величины давления P, в то время как полость 4 является замкнутой, и давление в ней остается равным P. Появившаяся разность между давлением в полостях 4, 5 и в отверстии 8 приводит к существенному прогибу мембраны 3 в направлении выступа 9, в результате чего зазор между мембраной 3 и выступом 9 становится настолько мал, и его сопротивление течению рабочей среды настолько большим, что давление в полости 5 становится равным P, и регулятор приходит в рабочее состояние.
2
1
В этом состоянии давление P определяется сопротивлением зазора газо- или гидростатической опоры при постоянном давлении P и гидравлическом сопротивлении зазора между мембраной 3 и выступом 9.
2
1
2
2
При уменьшении зазора в газо- или гидростатической опоре (нагрузка на опору увеличилась) гидравлическое сопротивление этого зазора растет, что приводит к росту давления P и уменьшению перепада давления (P-P) на участке мембраны 3, находящейся в проекции отверстия 8. При этом прогиб мембраны 3 уменьшается, что приводит к увеличению зазора между ее поверхностью и выступом 9, уменьшению гидравлического сопротивления этого зазора, увеличению расхода рабочей среды через этот зазор и дополнительному росту давления P, которое компенсирует увеличившуюся нагрузку на опору, в связи с чем первоначальный зазор в газо- или гидростатической опоре восстанавливается.
2
2
И наоборот, если нагрузка на газо- или гидростатическую опору уменьшается, зазор в ней увеличивается, что приводит к снижению давления P, сопровождающемуся увеличению прогиба мембраны 3, уменьшению расстояния между ней и выступом 9, снижению расхода через регулятор в направлении опоры, в связи с чем давление P дополнительно уменьшается, и опора приходит в исходное состояние с исходным зазором.
Таким образом, в некотором интервале нагрузок на опору в ней сохраняется постоянный зазор независимо от нагрузки, т.е. опора приобретает бесконечно большую жесткость, что очень важно для большого числа механизмов, использующих газовую или жидкостную смазку при полном разделении трущихся поверхностей.
Для каждого размера и зазора опоры, и для каждого диапазона давлений рабочей среды и нагрузок на опору необходима индивидуальная характеристика регулятора, заключающаяся, прежде всего, в обеспечении очень точного и вполне определенного начального зазора (при ненагруженной мембране) между поверхностью мембраны 3 и выступом 9. Кроме того, даже если регулятор спроектирован специально для какой-то конкретной опоры, то и он, и опора изготавливаются с вполне определенными конечными допусками, в связи с чем работа пары «регулятор-опора» происходит с отклонениями, которые могут оказаться настолько большими, что не будет достигнута заявленная проектная точность постоянства зазора в опоре.
Для исключения такой возможности данная конструкция позволяет, прежде всего, очень точно отрегулировать начальный зазор между мембраной 3 и выступом 9. Для этого седло 7 снабжено резьбой и контргайкой 11, что позволяет изменять и фиксировать расстояние между выступом 9 и ненагруженной мембраной 3, изменяя, таким образом, изначальное гидравлическое сопротивление регулятора, «подгоняя» его под конкретные условия работы.
Кроме того, перегородка 6, в которой установлено седло 7, также сделана подвижной и регулируемой в направлении седла 7. Причем, поскольку шаг наружной резьбы перегородки 6 отличается от шага наружной резьбы седла 7, регулировка зазора между выступом 9 седла 7 и мембраной 3 может быть выполнена очень точно.
Например, шаг резьбы седла 7 равен 1,5 мм, а шаг резьбы перегородки 6 - 1,75 мм (стандартные шаги метрической резьбы). В этом случае поворот седла 7 на целый оборот в одну сторону и целый поворот перегородки 6 - в другую сторону позволит переместить выступ 9 всего на 0,25 мм. В то же время не представляет значительной сложности уверенно совершать повороты седла 7 и перегородки 6 на величину порядка 10 градусов, что даст суммарное перемещение в 36 раз меньше, т.е. всего на 0,007 мм (7 микрометров). Это вполне достаточно, чтобы провести тонкую регулировку величины начального зазора между мембраной 3 и выступом 9.
Кроме того, величина начального зазора, а также упругое перемещение мембраны 3 могут быть отрегулированы изменением силы давления пружины 13 на мембрану 3 путем изменения положения регулировочного винта 12. Сама пружина 13 может быть также подобрана как по жесткости и длине, так и по характеристике, т.к. кроме цилиндрической пружины могут быть использованы пружины и другой конфигурации, например - коническая пружина.
Таким образом, предложенная конструкция мембранного регулятора позволяет использовать одну и ту же конструкцию с одними и теми же геометрическими размерами (один и тот же экземпляр) для опор с различными геометрическими характеристиками и режимными параметрами, а также дает возможность без механической доработки «по месту» настраивать регулятор для точного выполнения его функций.
Все это в совокупности обеспечивает расширение области применения таких регуляторов и снижение чувствительности питаемых ими опор к неточности изготовления геометрических размеров как самих регуляторов, так и питаемых ими опор, а также к отклонению питающего давления от номинального.