ПЕРЕПУСКНОЙ КЛАПАН
OVERFLOW VALVE

Изобретение относится к перепускному клапану для газообразной текучей среды, например, в пневматической тормозной системе безрельсового транспортного средства, содержащему предварительно напряженный посредством пружины сжатия поршень, который с возможностью перемещения вдоль продольной центральной оси расположен во втулке цилиндра.
Перепускные клапаны широко применяются в пневматической технике, например, для поддержания давления в остальной части пневматической системы во время падения давления в трубопроводе. Из DE 10 2010 047 401 A1 известен, например, выполненный в виде редукционного клапана клапан для текучей среды, содержащий впускной элемент и выпускной элемент. Как только достигается требуемое давление открытия клапана, имеющий форму поршня уплотнительный элемент под действием давления текучей среды смещается против действия возвращающей силы упругого элемента в положение открытия, чтобы обеспечить в значительной степени беспрепятственное протекание текучей среды через отверстие. В ходе процесса открытия одновременно увеличивается эффективная общая площадь поверхности уплотнительного элемента, на которую воздействует давление текучей среды. Вследствие этого эффекта усиления происходит лучшее, в частности, более быстрое срабатывание клапана. Среди прочего недостаток такого клапана состоит в том, что уплотнительный элемент внутри имеющего форму полого цилиндра корпуса клапана может опрокинуться и вследствие этого, в худшем случае, оказаться зажатым в цилиндре, что может привести к сбою в работе перепускного клапана. Кроме этого, вследствие отсутствия радиального уплотнения уплотнительного элемента по отношению к стенке цилиндра, в случае негерметичности осевого уплотнения могут возникать незначительные утечки.
Кроме того, известны перепускные клапаны, в которых радиальное и осевое уплотнение поршня клапана по отношению к цилиндру осуществляется при помощи двух отдельных и специальным образом сформованных уплотнительных элементов, вследствие чего, среди прочего, количество конструктивных элементов, трудоемкость монтажа, конструктивный размер и, как следствие, общая масса такого редукционного клапана являются сравнительно большими.
Таким образом, в основе настоящего изобретения лежит задача, состоящая в том, чтобы предложить перепускной клапан такого типа с уменьшенным количеством конструктивных элементов и, за счет этого, упрощенной конструкцией.
Поэтому изобретение относится к перепускному клапану для газообразной текучей среды, например, в пневматической тормозной системе безрельсового транспортного средства, содержащему предварительно напряженный посредством пружины сжатия поршень, который с возможностью перемещения вдоль продольной центральной оси расположен в цилиндре перепускного клапана. Для решения поставленной задачи предусмотрено, что на нижней стороне поршня для осуществления радиального и осевого уплотнения расположено уплотнительное кольцо, причем радиальная внешняя сторона уплотнительного кольца с образованием радиальной прессовой посадки изнутри прилегает к цилиндру, причем уплотнительное кольцо в закрытом положении перепускного клапана вследствие предварительного напряжения пружины сжатия прилегает к имеющему форму полого цилиндра седлу клапана, и причем уплотнительное кольцо в открытом положении перепускного клапана после превышения заданного предельного давления текучей среды отводится от седла клапана с образованием кольцевого зазора для обеспечения открытия пути протекания для текучей среды.
Благодаря такой конструкции, при помощи лишь одного уплотнительного кольца обеспечивается как радиальное, так и осевое уплотнение перепускного клапана. Отпадает необходимость использования обязательного до настоящего времени другого, имеющего специальную форму уплотнительного кольца для радиального уплотнения, например, уплотнительного кольца типа «AirZet», благодаря чему конструкция и монтаж перепускного клапана существенно упрощаются, а также снижаются издержки производства.
Увеличение давления текучей среды сверх предварительно установленной предельной величины давления переводит перепускной клапан в открытое положение, в котором текучая среда может в значительной степени беспрепятственно протекать по открытому теперь пути протекания. Если давление текучей среды уменьшается до величины, ниже предельной величины давления, причем может быть предусмотрена подходящая величина порога гистерезиса, перепускной клапан переходит в закрытое положение, в котором путь протекания перекрыт. Благодаря использованию втулки цилиндра (гильзы цилиндра), которая более подробно описана ниже и которая, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, может быть помещена в имеющую форму стакана выемку корпуса перепускного клапана, кроме того, значительно снижаются требования к точности изготовления корпуса перепускного клапана.
В одном предпочтительном варианте осуществления перепускного клапана предусмотрено, что радиальная внешняя сторона уплотнительного кольца имеет приблизительно полукруглую геометрию в сечении. Благодаря полукруглой геометрии в сечении внешней стороны уплотнительного кольца, обеспечивается сравнительно малая площадь соприкосновения с внутренней стенкой втулки цилиндра, за счет чего уменьшается трение в этой паре трения и дополнительно оптимизируется характеристика параметра срабатывания перепускного клапана.
В другой предпочтительной модификации изобретения предусмотрено, что в области нижней стороны в осевом направлении уплотнительного кольца, по меньшей мере, на отдельных участках выполнен кольцевой паз. Благодаря этому, в частности, при небольшом превышении размеров в радиальном направлении уплотнительного кольца в смонтированном состоянии, в радиальном направлении возникает действие давления или силы, которое обеспечивает компенсацию возможного износа, например, истирания в области его внешней стороны, за счет радиального расширения уплотнительного кольца и, таким образом, обеспечивает увеличение срока службы перепускного клапана.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения, поршень имеет по меньшей мере один выполненный соосно продольной центральной оси и в радиальном направлении открытый наружу кольцевой паз. Благодаря этому, поверхность трения между поршнем и втулкой цилиндра еще уменьшается и дополнительно улучшается характеристика параметра срабатывания перепускного клапана. В то же время, благодаря этому, масса поршня может быть сохранена сравнительно малой.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения, уплотнительное кольцо выполнено круглым и своим, выполненным внутри в радиальном направлении круглым отверстием надето на имеющий форму полого цилиндра отросток поршня, который (отросток) выполнен в области нижней стороны поршня, а также соосно окружает соединенный как единое целое с поршнем шток поршня. Благодаря этому, уплотнительное кольцо точно центрируется по отношению к продольной центральной оси перепускного клапана, причем в то же время обеспечивается надежная механическая посадка уплотнительного кольца на поршень.
В следующей модификации изобретения предусмотрено, что внутреннее в радиальном направлении отверстие уплотнительного кольца, по меньшей мере, на отдельных участках окружено клинообразным или прямоугольным утолщением. Это утолщение в смонтированном состоянии проходит по существу в осевом направлении вдоль отростка поршня. Благодаря такому механическому усилению края внутреннего в радиальном направлении отверстия уплотнительного кольца, обеспечивается жесткая и надежная посадка этого уплотнительного кольца на отросток поршня в области нижней стороны поршня.
Кроме того, может быть предусмотрено, что пружина сжатия расположена внутри имеющей также форму стакана крышки перепускного клапана, и причем поршень находится под действием созданного пружиной сжатия предварительного напряжения в осевом направлении, причем предварительное напряжение пружины сжатия регулируется посредством воздействующего на пружину сжатия регулировочного винта. Благодаря этому, может быть точно и плавно отрегулирована предельная величина давления текучей среды, при достижении которой перепускной клапан переходит в открытое положение.
Цилиндр в перепускном клапане, в стеку которого в радиальном направлении упирается поршень и через который в осевом направлении направляется поршень при своем движении, согласно первому варианту его осуществления, может быть образован уже упомянутой имеющей форму стакана выемкой в корпусе перепускного клапана. Альтернативно этому, может быть предусмотрено, что цилиндр в перепускном клапане образован имеющей форму полого цилиндра втулкой цилиндра, которая установлена в имеющей форму стакана выемке в корпусе перепускного клапана соосно с ней и которая направляет поршень. Этот последний вариант обеспечивает возможность существенно более экономичной обработки имеющей форму стакана выемки в корпусе перепускного клапана.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, втулка цилиндра в осевом направлении вдалеке от пружины сжатия имеет участок контропоры, на котором предварительно расположен ограничитель давления с впускным элементом для текучей среды. При помощи этого ограничителя давления ограничивается максимальное возникающее вблизи перепускного клапана давление текучей среды и, таким образом, надежно предотвращается механическая перегрузка отдельных компонентов перепускного клапана, а также следующих за перепускным клапаном пневматических устройств.
Согласно следующей модификации изобретения, предусмотрено, что втулка цилиндра вместе с поршнем, а также ограничитель давления расположены в осевом направлении друг над другом или последовательно друг за другом в имеющей форму стакана выемке корпуса, и причем имеющая также форму стакана крышка для приема пружины сжатия как колпак закрывает имеющую форму стакана выемку корпуса. Благодаря этому, обеспечивается компактная, по существу вытянутая в длину форма конструкции перепускного клапана, которая в то же время обеспечивает возможность осуществления монтажа с малыми затратами. Выемка в корпусе предпочтительно выполняется в виде технологически просто осуществимого, а также выполнимого с высокой точностью ступенчатого отверстия.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения, цилиндр или втулка цилиндра имеет по меньшей мере два выпускных элемента для текучей среды. Благодаря этому, обеспечивается достаточно большое сечение выпуска для отводимой текучей среды. Текучая среда является газообразной средой, в частности, воздухом. За счет этого перепускной клапан подходит для использования преимущественно в пневматических устройствах.
В заключение следует отметить, что уплотнительное кольцо выполнено, например, из эластомера на основе гидрированного акрилнитрилбутадиен-каучука. Благодаря предпочтительному использованию гидрированного акрилнитрилбутадиен-каучука (HNBR), обеспечивается отличное уплотнение перепускного клапана при одновременно высокой износоустойчивости эластомера для седла клапана.
Для лучшего понимания изобретения к описанию приложены чертежи, поясняющие один из примеров осуществления изобретения. На чертежах представлено:
фиг. 1 - изображение в продольном разрезе предлагаемого в изобретении перепускного клапана в его закрытом положении; и
фиг. 2 - перепускной клапан, согласно фиг. 1, в его, по меньшей мере, частично открытом положении.
Перепускной клапан 10 для не показанной на чертеже, предпочтительно газообразной текучей среды, например воздуха, среди прочего содержит корпус 12 с выполненной в корпусе 12 в виде симметричного относительно продольной центральной оси 14 ступенчатого отверстия, имеющей форму стакана выемкой 16. Внутри этой выемки 16 в осевом направлении последовательно друг за другом расположены втулка 18 цилиндра и ограничитель 20 давления. При этом втулка 18 цилиндра располагается своей внешней в радиальном направлении частью на выступающем в радиальном направлении внутрь уступе имеющей форму стакана выемки 16 корпуса 12, а также своим ближним к ограничителю давления участком 22 контропоры располагается на удаленном от основания конце ограничителя 20 давления. Между втулкой 18 цилиндра и выемкой 16 корпуса 12 для осуществления уплотнения в качестве примера расположены три кольца 24, 24', 24'' круглого сечения.
Во втулке 18 цилиндра с возможностью перемещения вдоль продольной центральной оси 14, оставаясь соосным с ней, расположен обладающий осевой симметрией и имеющий по существу форму цилиндра поршень 26. Поршень 26 со своего удаленного от ограничителя 20 давления конца находится под действием упругой силы, действующей со стороны пружины 28 сжатия. Оба не отмеченных на чертеже конца пружины 28 сжатия в осевом направлении закрыты, соответственно, колпачками 30, 32. Верхний колпачок 30 упирается в регулировочный винт 34, который служит для регулирования предварительного механического напряжения пружины 28 сжатия и с возможностью вращения вокруг продольной центральной оси 14 расположен в служащей колпаком и имеющей также форму стакана крышке 36. Посредством этой имеющей форму стакана крышки 36 выемка 16 корпуса 12 закрывается со стороны пружины. Нижний колпачок 32, имеющий волнообразное сечение, упирается в верхнюю сторону 38 поршня 26. Оба колпачка 30, 32 служат, в частности, для стопорения и направления пружины 28 сжатия между регулировочным винтом 34 и поршнем 26.
Хотя использование втулки 18 цилиндра является предпочтительным, для функционирования выполненного, согласно изобретению, перепускного клапана 10 это не является абсолютно необходимым. Эта конструкция представлена здесь лишь в качестве примера.
К внешней в радиальном направлении нижней стороне 40 поршня прилегает имеющее приблизительно круглую форму уплотнительное кольцо 42. В представленном закрытом положении перепускного клапана 10 уплотнительное кольцо 42, в результате действия силы со стороны пружины 28 сжатия, прижимается к выполненному приблизительно в форме полого цилиндра седлу 44 клапана. Обращенный к уплотнительному кольцу 42, не отмеченный на чертеже верхний окружный край седла 44 клапана предпочтительно имеет приблизительно полукруглую геометрию в сечении. Уплотнительное кольцо 42 предпочтительно выполнено из твердого, механически прочного эластомера, например, из гидрированного акрилнитрилбутадиен-каучука (HNBR).
Чтобы еще уменьшить трение скольжения поршня 26 при движении во втулке 18 цилиндра, в поршне 26 может быть выполнен предпочтительно окружный, в радиальном направлении открытый наружу кольцевой паз 46 с прямоугольной геометрией сечения.
Внешняя в радиальном направлении сторона 48 уплотнительного кольца 42, как показано на фиг. 2, имеет приблизительно полукруглое сечение и для обеспечения уплотнения с образованием предпочтительно небольшой радиальной прессовой посадки с внутренней в радиальном направлении стороны прилегает к втулке 18 цилиндра.
В области нижней в осевом направлении стороны 50 уплотнительного кольца 42, то есть с обращенной от поршня 26 стороны уплотнительного кольца 42, кроме того, выполнен маленький окружный кольцевой паз 52 или желобок с четырехугольной, однако в области основания паза изогнутой геометрией в сечении. За счет этого кольцевого паза 52 или желобка, в частности, в открытом положении перепускного клапана 10, при небольшом превышении размеров в радиальном направлении уплотнительного кольца 42 в смонтированном состоянии, в радиальном направлении возникает действие силы со стороны самого уплотнительного кольца 42, которое обеспечивает компенсацию возможного износа, например, истирания в области внешней стороны 48 уплотнительного кольца 42, за счет его радиального расширения. При этом действие силы в радиальном направлении, среди прочего, вызывается также имеющимся давлением текучей среды.
Полукруглая внешняя сторона 48 уплотнительного кольца 42 во взаимодействии с втулкой 18 цилиндра обеспечивает радиальное уплотнение перепускного клапана 10, в то время как осевое уплотнение перепускного клапана 10 обеспечивается взаимодействием уплотнительного кольца 42 с седлом 44 клапана. Благодаря этому, отпадает необходимость использования абсолютно необходимого в известных перепускных клапанах дополнительного радиального уплотнения, которое в одном из известных заявителю перепускном клапане осуществлялось, например, за счет размещения уплотнительного кольца «AirZet».
Кроме того, уплотнительное кольцо 42 имеет выполненное в своей внутренней в радиальном направлении части круглое отверстие 54, которое прочно надето на расположенный в нижней части, имеющий форму полого цилиндра отросток 56 поршня 26, который (отросток 56) находится в области нижней стороны 40 поршня и окружает имеющий форму трубки шток 58 поршня 26, имея с ним общую ось.
Для дополнительного увеличения механической устойчивости уплотнительного кольца 42, а также для оптимизации механической посадки на имеющий форму полого цилиндра отросток 56 поршня 26, круглое отверстие 54 уплотнительного кольца 42 в представленных на фиг. 1 и 2 примерах осуществления изобретения окаймляется окружным утолщением 60, которое в данном случае в качестве примера имеет клинообразное сечение и радиальная толщина которого уменьшается в направлении к ограничителю 20 давления.
Для осуществления подачи не показанной на чертеже текучей среды ограничитель 20 давления имеет впускной элемент 62, причем направление впуска текучей среды отмечено маленькой стрелкой белого цвета во впускном элементе 62. В области участка 22 контропоры втулки 18 цилиндра находится первый выпускной элемент 64, который соединен с ограничителем 20 давления, а в области седла 44 клапана втулки 18 цилиндра предусмотрен второй выпускной элемент 66 для текучей среды, который обеспечивает выполнение функции протекания. Возможное направление протекания, соответственно, отмечено маленькой стрелкой черного цвета. Для лучшего восприятия чертежа имеющиеся в общем четыре стрелки черного цвета не снабжены номером ссылочной позиции. За счет двух указанных выпускных элементов 64 и 66 обеспечивается достаточное сечение протекания для выводимой из пропускного клапана 10 текучей среды.
На фиг. 2 представлен перепускной клапан, согласно фиг. 1, в его, по меньшей мере, частично открытом положении. Перепускной клапан 10 в этом случае также содержит корпус 12 с расположенной центрально по отношению к продольной центральной оси 14, имеющей форму стакана выемкой 16, в которой размещены ограничитель 20 давления и втулка 18 цилиндра с выполненным с ее нижней стороны участком 22 контропоры. Во втулке 18 цилиндра с возможностью перемещения параллельно продольной центральной оси 14 расположен находящийся под действием созданного пружиной 28 сжатия предварительного напряжения поршень 26. Не представленная на чертеже текучая среда также подается в перепускной клапан 10 снизу через впускной элемент 62 ограничителя 20 давления.
В отличие от изображения на фиг. 1, на фиг. 2 поршень 26 под воздействием превышающего заданную предельную величину давления текучей среды смещен против действия упругой силы со стороны пружины 28 сжатия в направлении, указанном большой стрелкой 80 белого цвета. За счет этого уплотнительное кольцо 42 полностью отводится от седла 44 клапана. Таким образом, уплотнительное кольцо 42 открывает узкий кольцевой зазор 82, так что текучая среда может в значительной степени беспрепятственно протекать через перепускной клапан 10 вдоль пути 84 протекания, что отмечено несколькими маленькими стрелками черного цвета. При этом текучая среда подается в перепускной клапан через расположенный с нижней стороны впускной элемент 62 в области ограничителя 20 давления и по существу направляется через перепускной клапан 10 вдоль отмеченного множеством маленьких стрелок черного цвета пути 84 протекания, чтобы затем быть выведенной из него в области первого выпускного элемента 64 и второго выпускного элемента 66. Таким образом, посредством пути 84 протекания впускной элемент 62 в открытом положении перепускного клапана 10 соединен с двумя выпускными элементами 64, 66. Для лучшего восприятия чертежа каждая из множества обозначающих путь 84 протекания маленьких стрелок черного цвета не снабжена отдельным соответствующим ей номером 84 ссылочной позиции.
Если давление текучей среды продолжает повышаться, то поршень 26 перемещается далее в направлении пружины 28 сжатия до тех пор, пока ограничитель 20 давления не достигнет своего крайнего положения, а также второе седло клапана во втулке 18 цилиндра не обеспечит отсоединение впускного элемента 62 от обоих выпускных элементов 64, 66, за счет чего обеспечится ограничение давления в выпускных элементах 64, 66, а также в соединенных с ними трубопроводах предварительно заданной величиной давления.
Если давление текучей среды снова уменьшится до величины, ниже предварительно установленной предельной величины давления, причем для предотвращения появления колебаний предпочтительно давление должно уменьшится ниже порога гистерезиса, описанный выше процесс проходит в обратном направлении, и уплотнительное кольцо 42 под действием большой упругой силы со стороны пружины 28 сжатия снова крепко прижимается к седлу 44 клапана, благодаря чему перепускной клапан 10 оказывается в закрытом положении. В этом закрытом положении перепускного клапана 10 путь 84 протекания снова перекрывается прилегающим к седлу 44 клапана уплотнительным кольцом 42, так что давление текучей среды снова может увеличиваться до заданной предельной величины, пока перепускной клапан 10 при соответствующих условиях снова не перейдет в свое открытое положение.
При помощи установочного винта 34, который с возможностью вращения расположен в резьбе в крышке 36 выемки 16 корпуса 12, может быть осуществлена плавная и чувствительная регулировка предварительного напряжения пружины 28 сжатия и, таким образом, точно установлена заданная предельная величина давления текучей среды для открытия перепускного клапана 10.
Перечень ссылочных позиций
10 - перепускной клапан
12 - корпус
14 - продольная центральная ось
16 - цилиндр перепускного клапана, выемка в корпусе
18 - цилиндр перепускного клапана, втулка цилиндра
20 - ограничитель давления
22 - участок контропоры
24, 24', 24'' - кольцо круглого сечения
26 - поршень
28 - пружина сжатия
30 - верхний колпачок
32 - нижний колпачок
34 - регулировочный винт
36 - крышка корпуса
38 - верхняя сторона поршня
40 - внешняя в радиальном направлении нижняя сторона поршня
42 - уплотнительное кольцо
44 - седло клапана
46 - радиальный кольцевой паз на поршне
48 - внешняя сторона уплотнительного кольца
50 - нижняя сторона уплотнительного кольца
52 - кольцевой паз на нижней стороне уплотнительного кольца
54 - круглое отверстие в уплотнительном кольце
56 - имеющий форму полого цилиндра отросток на поршне
58 - шток поршня
60 - утолщение на уплотнительном кольце
62 - впускной элемент
64 - первый выпускной элемент
66 - второй выпускной элемент
80 - стрелка, перемещение поршня 26 в осевом направлении
82 - кольцевой зазор на пути протекания
84 - путь протекания в открытом положении.