ОТСЕЧНЫЙ КЛАПАН
CUT-OFF VALVE

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для автоматического отключения систем гидравлического привода рабочего оборудования.
Известен отсечной клапан [Патент РФ №2196927 МПК 7 F16K 17/24, 2003], включающий корпус со смежными камерами, первые две из которых разделены рабочим органом, выполненным в виде плунжера, соединенного с корпусом возвратной пружиной и ограничителем обратного хода. В полости второй камеры находятся регулятор перепада давления, связанный с корпусом посредством резьбового соединения, и седло, фиксирующее плунжер. Первая камера, в которой расположен плунжер, соединена с напорным трубопроводом и импульсной магистралью, а также посредством дренажного канала с третьей рабочей камерой, полость которой разделена поршнем и штоком на две части. Дренажный канал и шток поршня находятся в верхней части этой камеры. Нижняя часть, в которой расположен фиксатор и регулировочный болт с посадочной поверхностью под рабочую пружину, соединена с контролируемой зоной напорной магистрали трубопровода с образованием обратной связи.
Недостатками указанного отсечного клапана являются:
1. Создание высокого гидравлического сопротивления регулятором перепада давления.
2. Контроль герметичности гидролиний сравнением значений давления на участках до и после места установки устройства. При разрушении трубопровода волна низкого давления распространяется из контролируемой зоны к участку, расположенному до места установки устройства, с высокой скоростью. Аналогичное явление произойдет при резком снижении нагрузки на выходное звено гидропривода или при совпадении направления движения потока жидкости с вектором приложенной нагрузки. Совокупность указанных факторов, а также инерционность элементов устройства может привести к ложным срабатываниям отсечного клапана при изменяющихся давлении и расходе.
Известен также отсечный клапан [Патент РФ №74435 МПК 7 F16K 17/22, F16K 17/24, 2008], содержащий корпус со смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями, сообщенными с трубопроводами, имеющими обратную связь, причем две камеры сообщены между собой, седло выполнено в месте сопряжения контролируемого трубопровода с выходным отверстием, первая смежная камера посредством дренажного канала сообщена с третьей камерой и одновременно с импульсным трубопроводом, соединенным с напорным трубопроводом, при этом внутри третьей камеры размещен подвижный поршень с уплотнительной поверхностью, поджимаемый пружиной, причем пружина сопряжена с посадочной поверхностью регулировочного болта, соединенного с корпусом отсечного клапана посредством резьбового соединения, в первой смежной камере расположен запорный орган, выполненный в виде плунжера, соединенного с корпусом отсечного клапана посредством возвратной пружины и ограничителя обратного хода, и в рабочем состоянии системы находящийся со штоком поршня в зацеплении посредством выступа, во второй смежной камере размещен регулятор перепада давления, причем вторая смежная камера выполнена в виде сообщенных друг с другом полости и напорного канала, напорный канал соединен с напорным трубопроводом, подвижный поршень выполнен с отверстиями для сообщения надпоршневой и подпоршневой полостей третьей камеры между собой, импульсный трубопровод и напорный трубопровод выполнены в виде каналов в корпусе отсечного клапана, причем дренажный канал и импульсный трубопровод представляют собой единый канал, соединяющий надпоршневую полость третьей камеры, первую смежную камеру, напорный трубопровод и входное отверстие корпуса отсечного клапана, подвижный поршень снабжен дополнительным штоком, причем торцевая поверхность указанного дополнительного штока и корпус отсечного клапана образуют дополнительную полость переменного объема, сообщаемую последовательно дроссельным каналом и линией обратной связи с датчиком расхода, регулировочный болт с посадочной поверхностью под пружину и пружину располагают в указанной дополнительной полости, причем пружина сопряжена с торцевой поверхностью дополнительного штока подвижного поршня, регулятор перепада давления устанавливают в напорном канале второй смежной камеры, подпоршневую полость третьей камеры сообщают возвратным каналом с напорным каналом второй смежной камеры на участке между регулятором расхода и полостью указанной смежной камеры, датчик расхода устанавливают на конечном участке контролируемого трубопровода, причем давление в линии обратной связи зависит от величины расхода через указанный датчик [Заявка РФ №2009108571 МПК 6 F16K 17/24, 2009].
К недостаткам данного устройства относятся:
1. Возникновение гидравлического удара при срабатывании клапана, что может привести к выходу из строя гидросистемы.
2. Повышенное трение в уплотнении подвижного поршня, снижающее чувствительность устройства.
3. Зависимость качества функционирования отсечного клапана от температуры и скорости движения жидкости.
Технический результат изобретения заключается в устранении вышеперечисленных недостатков.
Наиболее близким к предлагаемому решению является отсечный клапан, содержащий корпус со смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями, сообщенными с трубопроводами, причем две камеры сообщены между собой, седло выполнено в месте сопряжения контролируемого трубопровода с выходным отверстием, первая смежная камера сообщена с третьей камерой посредством дренажного канала и одновременно с импульсным трубопроводом, соединенным с напорным трубопроводом, при этом внутри третьей камеры размещен первый подвижный поршень, в первой смежной камере расположен запорный орган, выполненный в виде плунжера, соединенного с корпусом посредством возвратной пружины и ограничителя обратного хода, и в рабочем состоянии системы находящийся со штоком первого подвижного поршня в зацеплении посредством выступа, а во второй смежной камере размещен регулятор перепада давления, вторая смежная камера выполнена в виде сообщенных друг с другом полости и напорного канала, причем напорный канал соединен с напорным трубопроводом, импульсный трубопровод и напорный трубопровод выполняют в виде каналов в корпусе отсечного клапана, причем дренажный канал и импульсный трубопровод представляют собой единый канал, соединяющий надпоршневую полость третьей камеры, первую смежную камеру, напорный трубопровод и входное отверстие корпуса отсечного клапана, первый подвижный поршень снабжен вторым штоком, причем торцевая поверхность указанного второго штока и корпус отсечного клапана образуют первую контрольную полость переменного объема, регулятор перепада давления установлен в напорном канале второй смежной камеры, первый подвижный поршень выполнен в форме усеченного конуса и установлен с зазором для сообщения надпоршневой и подпоршневой полостей третьей камеры между собой, подпоршневую полость третьей камеры сообщают возвратным каналом с полостью второй смежной камеры, причем первый подвижный поршень в одном из крайних положений разобщает подпоршневую полость третьей камеры и возвратный канал, причем отсечный клапан снабжен вторым корпусом, в котором выполнены входное и выходное отверстия, напорный, входной и выходной каналы, камера, разделенная вторым подвижным поршнем на входную и выходную полости, соединенные, соответственно с входным и выходным каналами, причем входное отверстие указанного второго корпуса сообщено с контролируемым трубопроводом и с указанными входным и напорным каналами, выходное отверстие второго корпуса - с указанными напорным и выходным каналами, в напорном канале второго корпуса установлен переменный дроссель, второй подвижный поршень снабжен двумя штоками и установлен с зазором, соединяющим входную и выходную полости камеры второго корпуса, первый и второй подвижные поршни имеют одинаковые форму и размеры, диаметры штоков второго подвижного поршня равны диаметрам штоков первого подвижного поршня, первый шток второго подвижного поршня выполнен с ограничителем обратного перемещения, торцевая поверхность которого  сопряжена с регулируемой пружиной, причем указанная пружина сопряжена с посадочной поверхностью регулировочного болта, соединенного со вторым корпусом отсечного клапана посредством резьбового соединения, торцевая поверхность второго штока второго подвижного поршня и второй корпус отсечного клапана образуют вторую контрольную полость переменного объема, сообщаемую последовательно линией обратной связи и дроссельным каналом с первой контрольной полостью переменного объема, в корпусе отсечного клапана выполнены сливное и дренажное отверстия и сливной канал, причем последний сообщен с участком напорного канала второй смежной камеры между полостью указанной смежной камеры и регулятором перепада давления, плунжер имеет проточку, образующую с корпусом отсечного клапана кольцевую камеру, при этом в одном из крайних положений плунжера указанная кольцевая камера соединена с дренажным отверстием, во втором крайнем положении - со сливным каналом и сливным отверстием корпуса отсечного клапана.
Данное решение имеет следующий недостаток: возможность ложного срабатывания отсечного клапана при перемещении первого подвижного поршня вследствие податливости линии обратной связи.
Технический результат предлагаемого решения заключается в устранении приведенного недостатка, т.е. в повышении надежности конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в отсечном клапане, содержащем корпус со смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями, сообщенными с трубопроводами, причем две камеры сообщены между собой, а седло выполнено в месте сопряжения контролируемого трубопровода с выходным отверстием, при этом первая смежная камера сообщена с третьей камерой посредством дренажного канала и одновременно с импульсным трубопроводом, соединенным с напорным трубопроводом, а внутри третьей камеры размещен первый подвижный поршень, в первой смежной камере расположен запорный орган, выполненный в виде плунжера, соединенного с корпусом посредством возвратной пружины и ограничителя обратного хода, и в рабочем состоянии системы находящийся со штоком первого подвижного поршня в зацеплении посредством выступа, а во второй смежной камере размещен регулятор перепада давления, вторая смежная камера выполнена в виде сообщенных друг с другом полости и напорного канала, причем напорный канал соединен с напорным трубопроводом, импульсный трубопровод и напорный трубопровод выполнены в виде каналов в корпусе отсечного клапана, причем дренажный канал и импульсный трубопровод представляют собой единый канал, соединяющий надпоршневую полость третьей камеры, первую смежную камеру, напорный трубопровод и входное отверстие корпуса отсечного клапана, первый подвижный поршень снабжен вторым штоком, причем торцевая поверхность указанного второго штока и корпус отсечного клапана образуют первую контрольную полость переменного объема, регулятор перепада давления установлен в напорном канале второй смежной камеры, первый подвижный поршень выполнен в форме усеченного конуса и установлен с зазором для сообщения надпоршневой и подпоршневой полостей третьей камеры между собой, подпоршневая полость третьей камеры сообщена возвратным каналом с полостью второй смежной камеры, причем первый подвижный поршень в одном из крайних положений разобщает подпоршневую полость третьей камеры и возвратный канал, причем отсечный клапан снабжен вторым корпусом, в котором выполнены входное и выходное отверстия, напорный, входной и выходной каналы, камера, разделенная вторым подвижным поршнем на входную и выходную полости, соединенные соответственно с входным и выходным каналами, причем входное отверстие указанного второго корпуса сообщено с контролируемым трубопроводом и с указанными входным и напорным каналами, выходное отверстие второго корпуса - с указанными напорным и выходным каналами, в напорном канале второго корпуса установлен переменный дроссель, второй подвижный поршень снабжен двумя штоками и установлен с зазором, соединяющим входную и выходную полости камеры второго корпуса, первый и второй подвижные поршни имеют одинаковые форму и размеры, диаметры штоков второго подвижного поршня равны диаметрам штоков первого подвижного поршня, первый шток второго подвижного поршня выполнен с ограничителем обратного перемещения, торцевая поверхность которого с сопряжена с регулируемой пружиной, причем указанная пружина сопряжена с посадочной поверхностью регулировочного болта, соединенного со вторым корпусом отсечного клапана посредством резьбового соединения, торцевая поверхность второго штока второго подвижного поршня и второй корпус отсечного клапана образуют вторую контрольную полость переменного объема, сообщаемую последовательно линией обратной связи и дроссельным каналом с первой контрольной полостью переменного объема, в корпусе отсечного клапана выполнены сливное и дренажное отверстия и сливной канал, причем последний сообщен с участком напорного канала второй смежной камеры между полостью указанной смежной камеры и регулятором перепада давления, плунжер имеет проточку, образующую с корпусом отсечного клапана кольцевую камеру, при этом в одном из крайних положений плунжера указанная кольцевая камера соединена с дренажным отверстием, во втором крайнем положении - со сливным каналом и сливным отверстием корпуса отсечного клапана, линию обратной связи дополнительно сообщают с источником давления, а также со входом предохранительного клапана, выход которого сообщен со сливом, причем указанный источник давления сообщается с линией обратной связи посредством последовательно соединенных обратного клапана и редукционного клапана.
Пример выполнения предлагаемого отсечного клапана представлен на Фиг.1, Фиг.2 (разрез A-A) и Фиг.3.
Отсечный клапан содержит корпус 1 (см. Фиг.1) с входным 2 и выходным 3 отверстиями, напорный трубопровод 4, импульсный трубопровод 5, дренажный канал 6, соединенные между собой, а также дроссельный канал 7, сообщаемый с линией обратной связи 8. В корпусе 1 установлен запорный орган, выполненный в виде плунжера 9, соединенного с помощью возвратной пружины 10 и ограничителя обратного хода 11 с корпусом 1. Плунжер 9 разделяет две смежные камеры. Первая смежная камера 12 сообщается с входным отверстием 2, с напорным трубопроводом 4 и с дренажным каналом 6 с помощью импульсного трубопровода 5. Вторая смежная камера 13 состоит из полости 14 и напорного канала 15. Полость 14 второй смежной камеры 13 соединена с контролируемым трубопроводом 16 выходным отверстием 3; напорный канал 15 указанной смежной камеры 13 сообщен с напорным трубопроводом 4. В полости 14 второй смежной камеры 13 в месте сопряжения выходного отверстия 3 и контролируемого трубопровода 16 установлено седло 17. В напорном канале 15 выполнен регулятор перепада давления 18. В третьей камере 19 корпуса 1 установлен подвижный поршень 20 со штоками 21 и 22, причем первый шток 21 входит в зацепление с плунжером 9 через проточку 23. Поршень 20 разделяет третью камеру 19 на надпоршневую 24 и подпоршневую 25 полости, сообщенные между собой через зазор 26. Первая смежная камера 12 сообщается через импульсный трубопровод 5 и дренажный канал 6 с надпоршневой полостью 24, а полость 14 второй смежной камеры 13 сообщена с подпоршневой полостью 25 третьей камеры 19 посредством возвратного канала 27. Торцевая поверхность штока 22 образует с корпусом 1 первую контрольную полость переменного объема 28. В корпусе 1 также выполнен сливной канал 29, сообщенный с напорным каналом 15, сливное 30 (см. Фиг.2) и дренажное 31 отверстия. При этом в крайнем левом положении плунжера 9 (см. Фиг.1) полость, образованная корпусом 1 и поверхностью проточки 23, соединяется с дренажным отверстием 31 (см. Фиг.2). При крайнем правом положении плунжера 9 (см. Фиг.1) сливной канал 29 посредством проточки 23 соединен со сливным отверстием 30 (см. Фиг.2).
Отсечный клапан также содержит второй корпус 32 (см. Фиг.3), с входным 33 и выходным 34 отверстиями, напорным 35, входным 36 и выходным 37 каналами, камерой 38, разделенной вторым подвижным поршнем 39 на входную 40 и выходную 41 полости, соединенные, соответственно, с входным 36 и выходным 37 каналами. Входное отверстие 33 сообщено с контролируемым трубопроводом 16 (см. Фиг.1), а также с входным 36 (см. Фиг.3) и напорным 35 каналами, а выходное отверстие 34, в свою очередь - с напорным 35 и выходным 37 каналами. В напорном канале 35 установлен переменный дроссель 42. Второй подвижный поршень 39 снабжен штоками 43 и 44 и установлен с зазором 45, соединяющим полости 40 и 41. Поршни 20 (см. Фиг.1) и 39 (см. Фиг.3) имеют одинаковую форму и размеры. Штоки 21, 22 (см. Фиг.1), 43 и 44 (см. Фиг.3) имеют равные диаметры. Шток 43 второго подвижного поршня 39 выполнен с ограничителем обратного перемещения 46, взаимодействующим с регулируемой пружиной 47, сопряженной с посадочной поверхностью регулировочного болта 48. Торцевая поверхность штока 44 второго подвижного поршня 39 и корпус 32 образуют вторую контрольную полость 49, связанную через линию обратной связи 8 (см. Фиг.1) и дроссельный канал 7 с первой контрольной полостью переменного объема 28. Линия обратной связи 8 сообщается дополнительно с источником давления 50 и с предохранительным клапаном 51, соединенным со сливом 52. Также в устройстве используются редукционный клапан 53 (см. Фиг.4), и обратный клапан 54, устанавливаемые между источником давления 50 и линией обратной связи 8.
Отсечный клапан работает следующим образом.
При установке отсечного клапана в гидросистеме рабочая жидкость от источника давления 50 (см. Фиг.1) нагнетается в линию обратной связи 8. Давление в последней поддерживается на первоначальном уровне, достаточном для уменьшения хода поршня 20, происходящего из-за податливости линии 8. При запуске исправного гидропривода рабочая жидкость через входное отверстие 2 подается в корпус 1, и далее поток разделяется. Часть жидкости проходит через напорный трубопровод 4, напорный канал 15 и регулятор перепада давления 18 в полость 14 второй смежной камеры 13, а оттуда через седло 17 и выходное отверстие 3 - в контролируемый трубопровод 16. Другая часть потока через импульсный трубопровод 5 и дренажный канал 6 подается в надпоршневую полость 24, через зазор 26 между подвижным поршнем 20 и корпусом 1 проходит в полость 25 третьей камеры 19 и далее по возвратному каналу 27 поступает в полость 14 второй смежной камеры 13. Из контролируемого трубопровода 16 жидкость проходит через отверстие 33 (см. Фиг.3) корпуса 32 в напорный 35 и входной 36 каналы. Часть потока протекает через напорный канал 35 и переменный дроссель 42 к выходному отверстию 34. Другая часть потока подается через входной канал 36 во входную полость 40 камеры 38 и далее через зазор 45 - в выходную полость 41. Из полости 41 жидкость подается через выходной канал 37 к выходному отверстию 34. При этом за счет дросселирования потока при прохождении его через зазор 26 (см. Фиг.1) и через регулятор перепада давления 18 создается разность давлений между надпоршневой 24 и подпоршневой 25 полостями, а также между первой смежной камерой 12 и полостью 14 второй смежной камеры 13. Указанная разность давлений обусловливает усилие на подвижном поршне 20, стремящееся переместить последний вниз. Аналогично возникает перепад давлений между полостями 40 и 41 камеры 38 (см. Фиг.3) за счет дросселирования потока переменным дросселем 42 и зазором 45. Подвижный поршень 39 удерживается от смещения вниз ограничителем обратного перемещения 46. Подвижный поршень 20 (см. Фиг.1) начинает смещаться вниз, сжимая торцевой поверхностью штока 22 жидкость в линии обратной связи 8 и повышая в ней давление, значение которого складывается с первоначальным давлением. Как только давление в линии обратной связи 8 уравновесит усилие на поршне 20, последний остановится, не достигнув положения, при котором высвободится плунжер 9. Усилие от давления в линии обратной связи 8, действующего на торцевую поверхность штока 44 (см. Фиг.3) также уравновешено усилием от перепада давлений на поршне 39 и силой регулируемой пружины 47. При этом плунжер 9 (см. Фиг.1) удерживается в крайнем левом положении за счет зацепления со штоком 21.
При разгерметизации контролируемого трубопровода 16 (см. Фиг.1) давление в последнем резко снижается, расход жидкости через напорный трубопровод 4, регулятор перепада давления 18, вторую смежную камеру 13, а также через зазор 26 между подвижным поршнем 20 и корпусом 1 увеличивается. В свою очередь расход через напорный канал 35 (см. Фиг.3) корпуса 32, а также через переменный дроссель 42 и зазор 45 между поршнем 39 и корпусом 32 снижается, поскольку часть жидкости начинает вытекать через разрыв контролируемого трубопровода 16. Соответственно, перепад давлений между надпоршневой 24 (см. Фиг.1) и подпоршневой 25 полостями третьей камеры 19, а также между первой смежной камерой 12 и второй смежной камерой 13 возрастет. В то же время разность давлений между полостями 40 и 41 камеры 38 (см. Фиг.3) снизится практически до нуля. Давление в линии обратной связи 8 (см. Фиг.1), в полости переменного объема 28 и в выходной полости 41 камеры 38 (см. Фиг.3) при этом также уменьшится. Подвижный поршень 20 (см. Фиг.1) переместится вниз, выводя шток 21 из зацепления с плунжером 9 и вытесняя жидкость из полости 28 через дроссельный канал 7 и линию обратной связи 8 в полость 49 (см. Фиг.3). За счет этого поршень 39 переместится вверх, преодолевая усилие регулируемой пружины 47. При этом рабочая жидкость будет вытесняться поршнем 39 из входной полости 40 в полость 41 камеры 38 через переменный дроссель 42 и зазор 45. Подвижный поршень 20 (см. Фиг.1) в крайнем нижнем положении отсечет полость 25 от возвратного канала 27, благодаря чему весь поток жидкости потечет через регулятор перепада давления 18. Под действием увеличившейся разности давлений в смежных камерах 12 и 13 плунжер 9, преодолевая усилие возвратной пружины 10, начнет перемещаться вправо до упора в седло 17, разобщая напорный 15 и возвратный 27 каналы, полость 14 и выходное отверстие 3. Одновременно сливной канал 29 будет соединяться со сливным отверстием 30 (см. Фиг.2) посредством проточки 23 (см. Фиг.1) в плунжере 9. Рабочая жидкость через регулятор перепада давлений 18, напорный канал 15, сливной канал 29 и отверстие 30 (см. Фиг.2) направится на слив. Поскольку весь поток жидкости потечет через регулятор перепада давления 18 (см. Фиг.1), сохранится разность давлений в смежных камерах 12 и 13, и плунжер 9 будет поджиматься к седлу 17. Подача жидкости в контролируемый трубопровод 16 прекратится. Подвижный поршень 20 будет удерживаться в крайнем нижнем положении давлением в гидросистеме. После отключения неисправного гидропривода выравнивается давление в смежных камерах 12 и 13 и в полостях 24 и 25 (см. Фиг.3). Плунжер 9 (см. Фиг.1) под действием возвратной пружины 10 переместится влево до упора в ограничитель обратного хода 11. Подвижный поршень 39 (см. Фиг.3) усилием регулируемой пружины 47 возвращается в исходное положение. Поршень 20 (см. Фиг.1) также перемещается в исходную позицию за счет воздействия давления в линии обратной связи 8 на шток 22. При этом шток 21 поршня 20 войдет в зацепление с плунжером 9.
При увеличении расхода в исправной гидросистеме повысится расход жидкости через регулятор перепада давления 18, третью камеру 19 корпуса 1 и контролируемый трубопровод 16 (см. Фиг.1), а также через переменный дроссель 42 и камеру 38 корпуса 32 (см. Фиг.3). При этом увеличатся перепады давлений в полостях 24 и 25 третьей камеры 19 (см. Фиг.1), в смежных камерах 12 и 13 корпуса 1 отсечного клапана, а также в полостях 40 и 41 камеры 38 корпуса 32 (см. Фиг.3). За счет этого возрастут усилия на поршнях 20 (см. Фиг.1) и 39 (см. Фиг.3), а, следовательно, и давление в линии обратной связи 8. Поршень 39 останется уравновешенным. Первоначальное смещение поршня 20 (см. Фиг.1) увеличится незначительно за счет наличия в линии обратной связи 8 давления, создаваемого источником 50. Плунжер 9 останется зафиксированным. При снижении расхода или прекращении движения жидкости в гидросистеме снизится или прекратится расход жидкости через регулятор перепада давления 18, третью камеру 19 корпуса 1 и контролируемый трубопровод 16 (см. Фиг.1), а также через переменный дроссель 42 и камеру 38 корпуса 32 (см. Фиг.3). Перепады давлений в полостях 24 и 25 третьей камеры 19, в смежных камерах 12 и 13 корпуса 1 отсечного клапана (см. Фиг.1), а также в полостях 40 и 41 камеры 38 корпуса 32 (см. Фиг.3) уменьшатся. Поршни 20 (см. Фиг.1) и 39 (см. Фиг.3) будут удерживаться усилием регулируемой пружины 47, плунжер 9 (см. Фиг.1) останется зафиксированным с помощью штока 21 подвижного поршня 20, и отсечения контролируемого трубопровода 16 не произойдет.
Таким образом, создание первоначального давления источником 50 позволяет избежать ложных срабатываний отсечного клапана вследствие податливости линии обратной связи 8. Предохранительный клапан 51 защищает линию обратной связи 8 от разрушения, перепуская часть жидкости на слив 52 при недопустимом повышении давления. Утечки жидкости из линии обратной связи 8 компенсируются источником давления 50.
Редукционный клапан 53 (см. Фиг.4) используют, если источник 50 нагнетает жидкость с давлением выше требуемого. Последний поддерживает давление в линии обратной связи 8 меньшее, чем на выходе источника 50. Обратный клапан 54 предотвращает вытекание жидкости из линии обратной связи после отключения источника давления 50.