ДИСКОВАЯ ЗАДВИЖКА

Полезная модель относится к области нефтяного и химического машиностроения и может быть использована в качестве запирающего устройства на трубопроводах, транспортирующих рабочую среду, а также для перекрытия каналов устьевой арматуры фонтанных, насосных и нагнетательных скважин при промышленной добыче нефти.
Эффективность промышленной добычи нефти определяется надежностью, простотой эксплуатации и безопасностью используемых при этом технических средств.
Известна задвижка, содержащая корпус, состоящий из двух соединенных между собой болтами с гайками и шайбами частей, между которыми с возможностью поворота в своей плоскости размещен дисковый шибер с внутренним зубчатым сектором, взаимодействующим с приводной шестерней, (пат. РФ №12713, кл. F16K 3/06, 2000 г.)
В числе недостатков такой задвижки - сложность изготовления деталей приводного механизма, а также сложность конструкции.
Известна также задвижка, содержащая корпус, состоящий из двух соединенных между собой резьбовыми элементами с шайбами частей, между которыми с возможностью поворота в своей плоскости размещен соединенный с ними через уплотнительные элементы и центрируемый пружинами дисковый шибер с зубчатым сектором, взаимодействующим с приводной шестерней, резьбовые элементы которой выполнены в виде одной накидной гайки, соединяющей обе части корпуса, шайба выполнена выпукло-вогнутой и образует с внутренней торцевой поверхностью накидной гайки и поверхностью одной из частей корпуса замкнутые полости, заполненные консистентной смазкой, пружины выполнены волнообразными, а дисковый шибер с зубчатым сектором имеет наружное зацепление с приводной шестерней с передаточным отношением  где d - диаметр проходного сечения задвижки, м; p - давление жидкости перед задвижкой, действующее на шибер в закрытом состоянии, Па; R - наружный радиус шибера, м; ƒ - коэффициент трения в зоне контакта шибера с уплотнительными элементами в той части корпуса, напротив которой действует давление жидкости; М - максимально допустимый момент сил на приводной шестерне, Н·м. (пат. РФ №2235933, кл. F16K 27/04, 2004 г.).
Среди недостатков такой задвижки - сложность изготовления элементов приводного механизма и сложность конструкции.
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сути является задвижка, содержащая разборный корпус, состоящий из двух частей с проходными каналами, между которыми установлено распорное кольцо, дисковый шибер с проходным каналом, размещенный внутри корпуса и приводной механизм шибера с водилом, представляющим из себя вал, установленный в соответствующих посадочных местах корпуса и содержащий элементы зацепления с шибером, которые выполнены в виде пальцев, установленных в попарно соосных между собой отверстиях, выполненных в ребрах, образованных кольцевой проточкой, в которую входит приводной сектор шибера с круглыми пазами, взаимодействующими с пальцами (пат. РФ №55446, кл. F16K 3/06, 2006 г.)
Недостатком этой задвижки является отсутствие приведенных в источнике конструктивных решений, направленных на исключение возможности резкого перекрытия потока жидкости, что может привести к гидроудару. Тот же самый недостаток присущ и двум другим вышеперечисленным аналогам.
Техническая задача, стоящая перед авторами - повышение надежности и безопасности указанной выше задвижки за счет исключения вероятности гидроудара при ее эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в задвижке, указанной выше, угол размещения проходного отверстия шибера выбирается таким образом, чтобы угол поворота вала при закрытии задвижки составлял более 2π радиан, что соответствует числу оборотов - более одного.
Экспериментально было подтверждено, что задвижку, включающую два полукорпуса, образующие вместе с распорным кольцом полость с размещенным в ней дисковым шибером с приводным сектором, с выполненным на шибере проходным отверстием, ось которого параллельна оси вращения шибера, приводимого в движение передаточным механизмом с водилом в виде вала с элементами зацепления с приводным сектором, закрывающуюся более, чем за один оборот приводного вала, невозможно закрыть одним непрерывным движением рукоятки вала. Благодаря чему исключается вероятность резкого перекрытия движущейся через проходной канал задвижки струи жидкости, и, как следствие, вероятность гидроудара.
Известно, что передаточное отношение механизма, в котором как входное, так и выходное звенья совершают вращательные движения, может быть выражено следующим образом:
где
вход
ω - угловая скорость входного звена;
выход
ω - угловая скорость выходного звена;
n - передаточное отношение механизма.
В данной конструкции входным звеном является вал, установленный в соответствующих посадочных местах корпуса и содержащий элементы зацепления с приводным сектором шибера;
выходным звеном является шибер. Поэтому:
где
вал
ω - угловая скорость вала;
шибер
ω - угловая скорость шибера;
задв
n - передаточное отношение приводного механизма задвижки.
Или, в другой форме: где
t - время вращения вала и шибера;
Произведение угловой скорости звена на время вращения есть угол поворота звена за это время. Поэтому выражение можно преобразовать:  где
вал
α - угол поворота вала при перемещении шибера из одного крайнего положения в противоположное;
шибер
α - угол поворота шибера при его перемещении из одного крайнего положения в противоположное.
Отсюда следует, что:
вал=
шибер
задв
αα·n
Из рисунка 3 видно, что:
шибер
отв
α=2α, где
отв
α - угол между осью окружности сечения проходного отверстия в плоскости шибера, проходящей через центр вращения шибера в этой же плоскости, и осью симметрии приводного сектора в этой же плоскости. Из предыдущих выражений получаем:
шибер
отв
задв
α=2α·n
отв
В предлагаемой конструкции задвижки значение α выбирается так, что
вал
А, следовательно, α>2π рад.
Благодаря этому закрытие задвижки происходит более чем за один оборот приводного вала.
Полезная модель поясняется фигурами 1, 2, 3 и 4, где приведены конструкция задвижки, схема, показывающая принцип ее действия, три основных положения затвора задвижки, а также схема, поясняющая пример реализации полезной модели.
Конструкция задвижки, поясняемая фигурой 1, следующая. Задвижка содержит разборный корпус, состоящий из двух полукорпусов 1 и 2. В каждом из полукорпусов выполнено посадочное место, в которое установлено подпружиненное седло 3. Между седлами на ось 4 установлен шибер 5, который находится в полости, образованной полукорпусами 1, 2 и кольцом распорным 6, стянутым вместе с полукорпусами в один пакет шпильками 7 и гайками 8.
Приводной механизм задвижки состоит из вала 9, на который надета рукоятка 10; пальцев вала 11, входящих во взаимодействие с приводным сектором 12, который жестко соединен с шибером 5. На валу также закреплен указатель 13. На полукорпусе 2 расположена крышка указателя 14.
Для наполнения задвижки смазкой предусмотрены пресс-масленка 15 и дренажный клапан 16.
Разобщение внутренней полости задвижки от внешней среды осуществлено при помощи уплотнительных колец 17 и сменной уплотнительной втулки 18.
шибер
отв
отв
Задвижка имеет следующий принцип действия, схематически поясняемый фигурой 2. На рукоятку 10 подается усилие с руки (рук) оператора, которое преобразуется в крутящий момент на валу 9. В зацеплении пальцев 11 вала и пазов приводного сектора 12 крутящий момент вала преобразуется в крутящий момент шибера 5, благодаря чему шибер, вращающийся вокруг оси 4, перемещается из одного крайнего положения в противоположное. Полный угол хода шибера обозначен как α и равен 2α, где α - угол между осью окружности сечения проходного отверстия в плоскости шибера, проходящей через центр вращения шибера в этой же плоскости, и осью симметрии приводного сектора в этой же плоскости.
Положения «открыто», «закрыто» (крайние положения) и «промежуточное» показаны на фиг.3. На фиг.3а показано положение «открыто». На фиг.3б - «промежуточное» положение. На фиг.3в - положение «закрыто».
отв
шибер
отв
сектор
Частный случай реализации предлагаемой конструкции пояснен фигурой 4 и заключается в следующем. Угол размещения проходного отверстия на шибере 1 (здесь и далее - см. фиг.4а) α выбран равным 58°30. В этом случае угол поворота шибера при его перемещении из одного крайнего положения в противоположное α=2α =117°. Исходя из этого и некоторых других конструктивных соображений, выбран максимально возможный угол между крайними впадинами приводного сектора: α=132°. В этом случае при заданной конструкции приводного вала 9, число рабочих зубьев на секторе 12 равно 11.
Таким образом, имеем:
шибер
Угол поворота шибера при его переходе из одного крайнего положения в противоположное: α=117°=0,65π рад.
сектор
Число зубьев приводного сектора: z=11.
вал
Число цилиндрических зубьев (пальцев) вала: z4.
Определим на основе этих данных угол поворота вала при закрытии задвижки:
вал
шибер
задв
α=α·n, где
n
задв
полн
полн
- передаточное отношение приводного механизма задвижки.  где z - теоретическое количество зубьев приводного сектора, которыми бы он обладал, если бы представлял собой колесо (т.е. в случае, когда угол между крайними впадинами составлял бы α=360°=2π рад; см. фиг 4б).
вал
α=0,65π·7,5=4,872π рад;
Таким образом, данная задвижка закрывается за 2,44 оборота приводного вала, что обеспечивает плавность перекрытия потока жидкости и исключает возможность гидроудара. Испытания на проливочном стенде также показали отсутствие гидроудара при закрытии.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель №12713, МПК F16K 3/06, 2000 г. Задвижка / Ю.Н. Парамонов и др.
2. Патент на полезную модель №2235933 МПК F16K 27/04, 2004 г. Задвижка / В.М. Артеменко и др.
3. Патент на полезную модель №55446 МПК F16K 3/06, 2006 г. Задвижка / Ю.Н. Парамонов и др.