ГАЗОСТАТ
GASOSTATIC EXTRUDER

Изобретение относится к области порошковой металлургии, непосредственно к оборудованию для обработки дискретных или сплошных материалов при одновременном воздействии на них высоких до 500 МПа давления и температуры до 2000°С, создаваемых газовой средой в рабочей камере газостата.
Основными компонентами газостата являются: собственно газостат, содержащий контейнер с пробками и силовую станину; газовая и вакуумная системы, создающие технологически необходимое давление в рабочей камере; система нагрева; системы охлаждения и управления, а также гидропривод. Эффективность работы газостата в значительной степени зависит от надежности и производительности работы его главной - газовой системы.
Аналогом изобретения является газостат, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», Москва: «Металлургия», 1994 г., стр. 110. Газостат-аналог содержит газовую и вакуумные системы, собственно газостат с системой нагрева и систему охлаждения.
Газовая система аналога содержит баллонную станцию, компрессор, контрольно-измерительную аппаратуру, трубопроводы и запорно-регулирующую аппаратуру высокого давления (запорные вентили с ручным управлением или дистанционно-управляемые запорные клапаны с пневматическим приводом). Выполнение стандартных технологических операций газостатической обработки материала, таких как: вакуумирование рабочей камеры, заполнение ее рабочим газом из баллонов самотеком, подъем давления в камере с помощью компрессора, сброс газа из контейнера в баллоны самотеком по окончании рабочего цикла с последующим откачиванием газа компрессором и сообщение внутреннего пространства рабочей камеры с атмосферой, требует использования от 15 до 20 запорных органов, устанавливаемых на газовом трубопроводе высокого давления.
Недостатком аналога является то, что при использовании запорных вентилей с ручным управлением невозможно автоматизировать рабочий цикл газостата, а при использовании индивидуальных дистанционно-управляемых запорных клапанов с пневматическим приводом, устанавливаемых между компонентами газовой системы в ее различных точках, в несколько раз возрастает число соединений газового трубопровода высокого давления и его длина, а также длина трубопровода пневмосистемы управления запорными клапанами.
Прототипом заявляемого изобретения является газостат, описанный патентом РФ №2350429 от 09.06.2007 года. Газостат-прототип содержит контейнер с пробками, образующими его рабочую камеру; силовую станину; газовую систему, соединенную с рабочей камерой трубопроводом высокого давления и оснащенную запорно-регулирующей аппаратурой с гидроприводом; системы нагрева и охлаждения, а также систему управления. Компрессоры низкого и высокого давления газовой системы соединены с рабочей камерой газостата, запорно-регулирующая аппаратура газовой системы объединена в блоки клапанов, смонтированные на панели. Каждый блок клапанов включает корпус и установленные на нем газовые клапаны, соединенные между собой каналами, выполненными внутри корпуса блока клапанов, а блоки клапанов соединены между собой и подключены к трубопроводу высокого давления газовой системы. Запорное устройство газового клапана выполнено с гидроприводом, при этом клапан содержит запорную иглу, соединенную посредством быстроразъемной муфты со штоком гидравлического цилиндра, а стакан соединен с гидравлическим цилиндром байонетным замком.
Недостатком газостата-прототипа является необходимость непрерывной работы насоса гидропривода запорных клапанов и связанной с ним гидроаппаратуры в течение длительного времени при выполнении технологических операций рабочего цикла. В мировой практике газовые системы как лабораторных, так и промышленных газостатов оснащаются дистанционно-управляемыми нормально-закрытыми запорными клапанами: закрытие обеспечивается пружиной или комплектом пружин сжатия, а открытие - гидравлическим или пневматическим приводом. Клапаны газостата-прототипа оснащены гидроприводом, преимущества которого описаны в вышеупомянутом патенте РФ №2350429 от 09.06.2007 года.
3
При выполнении всех технологических операций рабочего цикла (за исключением выдержки заготовки при постоянных давлении и температуре, когда все клапаны закрыты), таких как: вакуумирование рабочей камеры газостата; напуск газа в камеру из баллонной станции самотеком до выравнивания давления в них; дальнейшее закачивание газа компрессором; сброс газа из контейнера в баллоны после окончания выдержки заготовки на стационарном режиме и откачивание газа из контейнера компрессором, цепочка запорных клапанов газовой системы, обеспечивающих выполнение конкретной операции, должна быть открытой. Выполнение перечисленных операций на промышленных газостатах с большим объемом рабочей камеры занимает от пяти до десяти часов. В течение этого периода гидравлический насос создает в гидросистеме запорных клапанов давление, необходимое для их открытия и удержания в этом состоянии. При этом масло от насоса подается через гидрораспределитель управления насоса под поршень гидроцилиндра клапана. Объем этой полости одного клапана невелик и составляет менее 50 см. Для выполнения отдельных операций рабочего цикла одновременно используется от трех до пяти клапанов. Время открытия всей цепочки клапанов, обеспечиваемое производительностью применяемых насосов, не превышает одной-двух минут. После открытия клапанов и создания в гидросистеме необходимого для этого давления весь поток масла, подаваемый насосом, проходя через гидрораспределитель управления и настроенный на заданное давление предохранительный клапан, сбрасывается в бак гидростанции, откуда насосом вновь направляется по кругу, по описанному пути. При этом линии гидроприводов запорных клапанов являются тупиковыми, а поток масла дросселируется в щели приоткрытого предохранительного клапана и канале гидрораспределителя со значительным повышением температуры. В результате перегрева деталей гидрораспределителей насоса и газовых клапанов их золотники заклинивается в корпусе, лишая оператора возможности надежного управления клапанами газовой системы и выполнения заданной технологической операции цикла, что часто приводит к преждевременному выходу из строя насоса и гидроаппаратуры, а также - созданию аварийной ситуации. Кроме этого в процессе многочасовой работы насоса практически вхолостую происходит нерациональное потребление электроэнергии.
Задачей настоящего изобретения является устранение упомянутых недостатков и создание надежного производительного газостата с длительным сроком его эксплуатации.
Достигаемый при этом технический эффект:
- существенное уменьшение времени работы гидравлического насоса привода газовых запорных клапанов, увеличение ресурса его работы и связанной с ним гидроаппаратуры;
- уменьшение количества гидрораспределителей, управляющих работой запорных клапанов;
- снижение потребления электроэнергии при выполнении аналогичного рабочего цикла;
- повышение производительности, увеличение надежности и улучшение условий эксплуатации газостата.
Выполнение поставленной задачи и получаемый при этом технический эффект обеспечивается тем, что в предлагаемой конструкции газостата на корпусе блока клапанов установлена защелка, механически удерживающая необходимые запорные клапаны в открытом состоянии в течение длительного времени при выключенном гидравлическом насосе, а управление двумя запорными клапанами, не задействованными одновременно при выполнении конкретной технологической операции, осуществляется одним гидрораспределителем, при этом ось шпилек, соединяющих запорные блок клапаны с корпусом, развернута под углом к продольной оси последнего, цилиндры защелок установлены в открытом зеве кронштейнов блока запорных клапанов, а толкатель размещен в пазе ползушки с возможностью перемещения.
Конструкция и работа газостата поясняется следующими чертежами, где:
- на фиг.1 показан газостат с фрагментом газовой системы;
- на фиг.2 изображен запорный газовый клапан;
- на фиг.3 приведен блок клапанов с защелкой;
- на фиг.4 показано сечение А-А по фиг.3;
- на фиг.5 приведено сечение Б-Б по фиг.3;
- на фиг.6 представлено сечение В-В по фиг.5.
Газостат (фиг.1) содержит: силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2; контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками; запорные газовые клапаны 6, 7, 8, 9, установленные на корпусах 10 и 11 (в разрезе защелки не показаны); компрессор 12 и баллонную станцию 13; гидравлический насос 14 с баком 15, обратным клапаном 16 и двухпозиционным гидрораспределителем 17; предохранительный клапан 18 и трехпозиционные гидрораспределители 19 и 20. Перечисленные элементы соединены между собой газовым трубопроводом 21, а также напорным 22 (сплошная линия) и - сливным 23 (пунктирная линия) гидравлическим трубопроводами.
Нормально-закрытый блок клапан (фиг.2) содержит запорную иглу 24, соединенную со штоком 25 гидроцилиндра 26 с помощью быстроразъемной муфты 27. Клапан закрывается усилием блока предварительно сжатых тарельчатых пружин 28, которое передается на поршень 29 гидроцилиндра 26, а затем через шток 25 на иглу 24, запирающую седло клапана. Клапан открывается при подаче давления от насоса 14 под поршень 29 в полость 30, при этом пружины 28 сжимаются. Соединение гидроцилиндра 26 и стакана 31 выполнено с помощью байонетного замка 32, обеспечивающего легкую сборку-разборку узла в сравнении с использованием резьбового соединения, пластически деформирующегося при затяжке пружин 28 и в процессе его эксплуатации, создавая, таким образом, серьезные проблемы при обслуживании клапана. Клапаны 6, 7, а также 8 и 9 (фиг.1, 2) устанавливаются на корпусах 10, 11 с помощью шпилек 33, гаек 34 и контргаек 35, образуя блоки клапанов 36 и 37 соответственно. На общем корпусе блока могут устанавливаться несколько клапанов (три, как в газостате-прототипе или большее число), соединенных каналами, выполненными внутри корпуса, при этом уменьшается количество соединений и длина газового трубопровода высокого давления, имеющих место при комплектации газовой системы машины индивидуальными запорными клапанами с раздельными корпусами.
Для удержания клапанов 6, 7, 8, 9 в открытом положении при выключенном гидравлическом насосе 14 на корпусах 10 и 11 блоков клапанов 36 и 37 установлены защелки 38 (фиг.3, 4). Поскольку конструкция защелок, установленных на обоих блоках клапанов, одинакова, рассмотрим защелку блока клапанов 37, включающую клапаны 8 и 9.
Защелка содержит два цилиндра 39, установленных в расточках кронштейнов 40 с открытым зевом 41 и прикрепленных к ним винтами 42. В свою очередь, кронштейны 40 закреплены на торцах корпуса 10 винтами 43. Концы штока 44 защелки 38, оснащенные уплотнениями 45, расположены в полостях 46 и 47 цилиндров 39, давление в которые подается через ниппели 48. Напротив каждого запорного клапана на штоке 44 свободно установлены цилиндрические толкатели 49 и 50, а с обеих сторон от них - цилиндрические пружины сжатия 51, 52, 53, 54 и стопорные кольца 55, 56, 57, 58, положение которых на штоке фиксируется винтами 59 и контргайками 60. Усилие, действующее на толкатель с любой из сторон, определяется усилием соответствующей сжатой пружины, которое может регулироваться за счет изменения положения стопорных колец на штоке 44.
Периферийная часть толкателей 49, 50 свободно размещается в пазах 61 и 62 г-образных ползушек 63 и 64. Ползушки установлены в верхней правой части корпуса 11 с помощью направляющих штифтов 65 и винтов 66, расположенных в пазах 67 и 68 соответственно. К ползушках винтами 69 прикреплены сухари 70 и 71, высотное положение верхних торцов которых регулируется прокладками 72, устанавливаемыми между ними.
В исходном положении (клапан закрыт) верхний торец 73 сухаря 70 расположен несколько выше нижнего торца 74 быстроразъемной муфты 27 (фиг.3), создавая, таким образом, высотное перекрытие этих деталей. В этом же положении между вертикальным скосом 75 сухарей 70, 71 и внешней цилиндрической поверхностью быстроразъемной муфты 27 устанавливается зазор 76, используемый для наладки клапанов без включения защелки, а именно: опробывания перемещения иглы клапана; определения его внутренней герметичности и других целей.
Применение толкателей 49 и 50, не связанных жестко с ползушками 63 и 64, а также возможность установки и удаления цилиндров 39 со штоком 44 через открытый зев 41 кронштейнов 40 существенно сокращает объем монтажных и демонтажных работ, необходимых для обслуживания и ремонта узла. Конструкция защелки - универсальна. При увеличении числа запорных клапанов, устанавливаемых на корпусе блока, увеличивается только длина штока и количество унифицированных деталей, связанных с перемещением ползушки. Для размещения ползушек 63 и 64 на верхней плоскости корпусов 10 и 11 диаметральная ось 77 шпилек 33 повернута на некоторый угол 78 (равный 20°-30°) относительно центральной продольной оси корпуса, на которой традиционно устанавливаются шпильки. Упомянутый угол поворота оси шпилек обеспечивает также свободный доступ к гайкам 34, расположенным между соседними клапанами, при сборке-разборке блока и регулировке отдельных клапанов. При установке шпилек 33 клапана на продольной оси корпуса увеличивается его длина и масса за счет увеличения шага (расстояния между осями соседних блок-клапанов) расположения клапанов на корпусе блока, необходимого в данном случае для их удобного монтажа и обслуживания.
Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 4 сдвинута с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в контейнер. Силовая станина устанавливается на оси контейнера. Работу защелки 38 блока клапанов 37 и связанной с ней гидроаппаратуры рассмотрим применительно к выполнению первой операции рабочего цикла - «напуск газа самотеком из баллонной станции 13 в контейнер 3». Без нагрузки запускается насос 14, подавая масло из бака 15 через обратный клапан 16 в его напорную магистраль, соединенную в данный момент со сливом, золотник гидрораспределителя 17 - вправо. В полость 46 левого цилиндра 39 защелки блока клапанов 37 подается давление, при этом шток 44 перемещается вправо, сжимаются пружины 51 и 53, прижимая сухари 70 и 71 ползушек 63 и 64 к быстроразъемным муфтам 27 клапанов 8 и 9. В исходном - закрытом положении полости 30 всех запорных клапанов 6, 7, 8, 9 соединены со сливом через гидрораспределители 19 и 20, золотники которых находятся в нейтральном положении. Для выполнения упомянутой операции золотник гирораспределителя 17 перемещается влево, а гидрораспределителя 20 - вправо, при этом масло поступает под поршень 29 клапана 8, игла 24 вместе с быстроразъемной муфтой 27 перемещаются вверх, а сухарь 71 ползушки 64 усилием пружины 53 вводится в образовавшийся зазор, располагаясь под нижним торцом 74 муфты. Затем золотник гидрораспределителя 20 возвращается в нейтральное положение, соединяя полость 30 со сливом. Быстроразъемная муфта садится на сухарь ползушки, клапан 8 при этом остается открытым. Насос 14 выключается, его напорная магистраль соединяется со сливом, а газ из баллонной станции 13 самотеком поступает через открытый клапан 8 в контейнер. После выравнивания давления в контейнере и баллонной станции давление подается в полость 47 правого цилиндра 39 защелки, при этом шток 44 перемещается влево, сжимая пружины 52 и 54. По описанной выше процедуре включается насос 14. Золотник гидрораспределителя 16 устанавливается влево, а гидрораспределителя 20 - вправо, и масло поступает под поршень клапана 8, приподнимая быстроразъемную муфту 27. Между муфтой и сухарем ползушки образуется зазор, а ползушка с сухарем усилием сжатой пружины 54 выталкиваются за пределы габаритов быстроразъемной муфты. Гидравлический цилиндр 26 клапана 8 сообщается со сливом при установке золотника гидрораспределителя 20 в нейтральное положение. Насос 14 выключается, а клапан 8 закрывается усилием блока тарельчатых пружин 28. Затем открываются клапаны 7 и 9 и с помощью компрессора 12 давление в контейнере поднимается до заданной величины, при этом золотник гидрораспределителя 19 установлен вправо, а распределителя 20 - влево. После этого компрессор 12 и насос 14 останавливаются, а клапаны 7 и 9 закрываются по методике, используемой в описанной выше операции. При выполнении данной операции задействованы все три гидрораспределителя 17, 19, 20 и защелки 38 обоих блоков клапанов 36 и 37, взаимодействие которых аналогично описанному выше и легко читается с помощью фиг.1 и 4. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение технологически необходимого времени. Далее рабочее пространство с газовой средой и заготовкой охлаждается. Открывается клапан 8 и газ самотеком перетекает из контейнера 3 в баллоны 13. Затем газ через открытый клапан 6 выпускается в баллонную станцию низкого давления (не показана) или в атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 4 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 5, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него, а цикл повторяется.
Таким образом, установка на блоках запорных клапанов защелок, выполненных с возможностью удержания взаимодействующих с ними запорных клапанов открытыми при выключенном насосе гидропривода, - цилиндров защелок в открытом зеве кронштейнов блока запорных клапанов, а толкателя - в пазе ползушки с возможностью перемещения, а также поворот оси шпилек, соединяющих запорные клапаны с корпусом, под некоторым углом к оси последнего и управление работой двух газовых запорных клапанов, не задействованных одновременно в выполнении любой технологической операции рабочего цикла газостата, одним гидравлическим распределителем позволяет:
- существенно уменьшить время работы гидравлического насоса привода газовых запорных клапанов, увеличить ресурс его работы и связанной с ним гидроаппаратуры;
- сократить количество гидрораспределителей, управляющих работой запорных клапанов;
- снизить потребление электроэнергии при выполнении аналогичного рабочего цикла;
- повысить производительность, увеличить надежность и улучшить условия эксплуатации газостата.