Заслонка поворотная дисковая

Полезная модель относится к трубопроводной арматуре и может применяться в качестве запорного или регулирующего устройства в трубопроводах различного назначения.
Аналогом полезной модели является трехэксцентриситетная дисковая заслонка (заявка GB 1536837), в которой поверхность уплотнения седла выполнена в виде усеченного конуса, ось симметрии которого наклонена к оси симметрии проходного отверстия корпуса, а само седло установлено в корпусе наклонно к той же оси. При этом поворотный диск консольно закреплен на приводном валу. Вал установлен в корпусе перпендикулярно оси симметрии проходного отверстия и со смещением относительно указанной оси. Таким образом, образуются три эксцентрика: первый - за счет консольной установки диска на приводном валу; второй - за счет установки вала со смещением относительно оси корпуса; третий - за счет наклонного положения конусной уплотняющей поверхности седла.
Также аналогом полезной модели является заслонка поворотная дисковая (пат. № 8438, опубл. 16.11.1998 г.), содержащая патрубок, корпус с размещенным в нем седлом, поворотный диск, закрепленный на приводном валу, установленном в корпусе перпендикулярно оси симметрии его проходного отверстия и со смещением относительно указанной оси, при этом уплотнительная поверхность седла выполнена в виде цилиндрической поверхности, ось симметрии которой наклонена к оси симметрии проходного отверстия корпуса и имеет в каждом сечении, перпендикулярном оси симметрии проходного отверстия корпуса, окружность правильной формы, при этом диск закреплен на валу консольно.
Прототипом полезной модели является заслонка поворотная дисковая (пат. № 208774 опубл. 13.01.2022 г.), содержащая корпус с размещенным в нем седлом, поворотный диск, закрепленный на приводном валу, установленный в корпусе перпендикулярно оси симметрии его проходного отверстия и со смещением относительно указанной оси, уплотнительную поверхность седла, выполненную в виде цилиндрической поверхности, ось симметрии которой наклонена к оси симметрии проходного отверстия корпуса и имеет в каждом сечении, перпендикулярном оси симметрии проходного отверстия корпуса, окружность правильной формы, диск, закрепленный на валу консольно, при этом корпус выполнен цельным и имеет на внутренней цилиндрической поверхности кольцевую проточку для фиксации седла, расположение которой обеспечивает точное сопряжение уплотнительных поверхностей седла и поворотного диска в закрытом положении, при этом геометрические параметры кольцевой проточки соответствуют геометрическим параметрам седла, а седло выполнено из материала с эффектом памяти формы.
Недостатками данных полезных моделей являются низкие эксплуатационные характеристики диска, обусловленные накоплением повреждений и деформации и, как следствие, потеря плотности сопряжения диска к седлу в закрытом положении, не обеспечивающая полное перекрытие потока. Накопление повреждений и деформации обусловлено возникающими гидроударами при закрытии, а также кавитационным, гидроабразивным и коррозионным типами износа диска в процессе эксплуатации. Также недостатком является образование люфта между валом и диском вследствие как эксплуатации, так и возникающих при закрытии гидроударов, в результате чего невозможно обеспечить плотное сопряжение диска с седлом в закрытом положении, и как следствие полное перекрытие потока.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции заслонки поворотной дисковой, обеспечивающее повышение ее эксплуатационных характеристик, в частности, срока службы.
Техническим результатом является повышение эксплуатационных характеристик заслонки дисковой поворотной, включая срок службы.
при этом
2
3
2
2
Технический результат достигается тем, что заслонка поворотная дисковая, содержащая корпус, выполненный цельным, и имеющая на внутренней цилиндрической поверхности кольцевую проточку для фиксации седла, расположение которой обеспечивает точное сопряжение уплотнительных поверхностей седла и поворотного диска в закрытом положении, при этом геометрические параметры кольцевой проточки соответствуют геометрическим параметрам седла с размещенным в корпусе седлом, выполненным из материала с эффектом памяти формы, поворотный диск, закрепленный на приводном валу, установленном в корпусе перпендикулярно оси симметрии его проходного отверстия и со смещением относительно указанной оси, уплотнительная поверхность седла выполнена в виде цилиндрической поверхности, ось симметрии которой наклонена к оси симметрии проходного отверстия корпуса и имеет в каждом сечении, перпендикулярном оси симметрии проходного отверстия корпуса окружность правильной формы, диск закреплен на валу консольно,диск выполнен из материала с эффектом памяти формы (TiNi) и имеет износостойкое покрытие на внешней поверхности, выполненное магнетронным методом напыления из оксидной керамики с памятью формы (YO-TiO-ZrO), при этом диск закреплен на валу посредством фальцевого соединения выступ/впадина, при этом выступ выполнен в отверстии диска под вал со стороны диска параллельно ему, а впадина выполнена на валу по форме и размерам соответствующим выступу, выполненному в отверстии диска под вал.
В результате постоянного воздействия на диск гидроударов, возникающих из-за разницы в давлениях при закрывании заслонки поворотной дисковой в момент перекрытия потока, происходит накопление повреждений и деформаций диска, следствием чего со временем эксплуатации не обеспечивается плотное сопряжение диска с седлом в закрытом положении, и как следствие не обеспечивает полное перекрытие потока, что обуславливает потерю герметичности заслонки в закрытом положении. Что в свою очередь является причиной замены заслонки поворотной дисковой.
Также потеря герметичности (плотности сопряжение диска с седлом в закрытом положении, полнота перекрытия потока) в процессе эксплуатации обусловлена деформированием диска в результате удара диска о седло при закрывании заслонки поворотной дисковой, как и вследствие возникающих гидроударов, что также способствует снижению срока службы диска и является недостатком существующих конструкций заслонок поворотных дисковых.
При этом вследствие деформации и ее накопления от действия гидроударов и ударов диска о седло при закрывании заслонки поворотной дисковой образуется со временем люфт между валом и закрепленном на нем диске из-за возникающей деформации фиксирующих элементов диска на валу, что, в свою очередь, также со временем эксплуатации не обеспечивается плотное сопряжение диска с седлом в закрытом положении, и как следствие, не обеспечивается полное перекрытие потока (обеспечение герметичности заслонки в закрытом положении) и является причиной замены заслонки поворотной дисковой.
Таким образом, изготовление диска из материала с эффектом памяти формы благодаря явлению псевдоупругости позволяет восстановить первоначальную геометрию диска после снятия нагрузки, являющейся причиной данной деформации, превышающую упругую деформации. В связи с этим, накопление повреждений в результате удара диска о седло при закрытии заслонки поворотной дисковой, а также в следствии гидроударов, возникающих из-за разницы давлений при закрытии заслонки поворотной дисковой в момент перекрытия потока, происходит значительно медленнее, чем у классических материалов и сплавов, и, как следствие, повышается срок службы диска, а также заслонки поворотной дисковой в целом, обеспечивая плотное сопряжение диска с седлом в закрытом положении после снятия деформирующей нагрузки, и, как следствие, полное перекрытие потока, обеспечивающее герметичность заслонки в закрытом положении. Таким образом, применение материала с эффектом памяти формы при изготовлении диска позволяет уменьшить значение необходимого коэффициента запаса прочности, что позволяет уменьшить количество элементов, повышающих прочность и жесткость диска, выполненных в виде ребер жесткости, что, в свою очередь, уменьшает вес диска, а также позволяет увеличить площадь полезного сечения для проходимого потока через заслонку поворотную дисковую в открытом положении, увеличивая пропускную способность заслонки поворотной дисковой.
Изготовление диска из материала с эффектом памяти формы также позволяет выполнить соединение вала с диском соответствующее фальцевому типу соединения по принципу выступ/впадина, где выступ выполнен в отверстии диска под вал со стороны диска параллельно ему, а впадина выполнена на валу по форме и размерам, соответствующим форме и размерам выступа, выполненного в отверстии диска под вал, обеспечивающий жесткую фиксацию диска на валу, что обеспечивает точность позиционирования диска относительно седла в любом положении заслонки поворотной дисковой. При этом возникающие в результате эксплуатации гидроудары и удары диска о седло, возникающие из-за разницы в давлениях при закрывании заслонки, приводящие к деформации фиксирующего элемента диска на валу, являющейся причиной возникновения люфта по поверхностям сопряжения диска и вала, а после снятия деформирующей нагрузки благодаря явлению псевдоупругости, характерному материалам с эффектом памяти формы, восстанавливается первоначальная геометрия, убирая возникающую деформацию по поверхностям сопряжения диска и вала и, как следствие, образуемый люфт, обеспечивая плотное сопряжение диска с седлом в закрытом положении после снятия деформирующей нагрузки, и, как следствие, полное перекрытие потока, обеспечивая герметичность заслонки в закрытом положении.
Изготовление диска из материала с эффектом памяти формы за счет особенностей физико-механических свойств, позволяет обеспечить установку с самофиксацией при монтаже диска на валу. Так, при охлаждении диска из материала с эффектом памяти формы, происходит переход материала из аустенитного состояния в мартенситное (низкотемпературного состояния материала с эффектом памяти формы), и задаются геометрическая форма и размеры посадочным поверхностям диска для установки на вал, обеспечивающие легкую установку вала в посадочные отверстия на диске с последующим нагревом. Так, при нагревании происходит обратный фазовый переход из мартенситного состояния в аустенитное, что способствует возникновению возвратных напряжений и восстановлению первоначальных геометрической формы и размеров диска, в том числе и восстановление формы выступа, выполненного в отверстии диска в сторону паза, выполненного на валу, при этом геометрические параметры впадины на валу соответствуют геометрическим параметрам выступа на диске. В результате чего происходит самоцентрирование и самофиксирование вала в кольцевой проточке диска, что обеспечивает точность позиционирования диска относительно седла в любом положении заслонки поворотной дисковой.
Снижению срока службы диска, а также потере герметичности конструкции заслонки поворотной дисковой в закрытом положении (неплотное сопряжение диска с седлом в закрытом положении, и, как следствие, неполное перекрытие потока) в процессе эксплуатации способствуют недостаточные физико-механические свойства материалов, из которых изготовлен диск, обуславливающие пониженную стойкость к кавитационному (обусловленному явлениями вскипания и схлопывания пузырей в потоке жидкости при резком изменении сечения потока и, как следствие, изменении давления, возникающего при различных положениях заслонки при закрывании), гидроабразивному и коррозионному видам износа.
2
3
2
2
2
3
2
2
2
3
2
2
Таким образом, нанесение на диск магнетронным методом напыления керамического покрытия с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO за счет особенностей физико-механических свойств (в частности псевдоупругости/сверхэластичности) замедляет процесс накопления возникающих остаточных деформации при механическом воздействии как абразивных частиц, так и ударного воздействия, возникающего при образовании и схлопывании кавитационных каверн (пузырей), что позволяет повысить стойкость диска к кавитационному и гидроабразивному видам износа со стороны накопления деформационного повреждения поверхности диска, тем самым повышая срок службы диска и эксплуатационные характеристики заслонки поворотной дисковой. Уменьшение величины остаточной деформации и повышение стойкости диска к кавитационному и гидроабразивному видам износа обеспечивается благодаря явлению псевдоупругости (сверхэластичности) и способностью к возвратным деформациям при фазовых превращениях керамического покрытия с эффектом памяти формы. При этом, керамическое покрытие с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO имеет высокую микротвердость (твердость), что также повышает стойкость поверхности диска за счет значительного снижения врезания, царапания, скобления и срезания материала с поверхности диска абразивными частицами при гидроабразивном износе и выбивания частиц материала с поверхности диска при кавитационном воздействии, также повышает срок службы диска и эксплуатационные характеристики заслонки поворотной дисковой. Снижение скорости разрушения поверхностей диска вследствие гидроабразивного и кавитационного износа, таким образом, обусловлены высокой микротведростью (твердостью), а также псевдоупругостью (сверхэластичостью) нанесенного на диск керамического покрытия с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO, что значительно повышает срок службы заслонки поворотной дисковой, обеспечивая плотное сопряжение уплотнительных поверхностей диска с седлом в закрытом положении после снятия деформирующей нагрузки, и как следствие полное перекрытие потока, обеспечивая герметичность заслонки в закрытом положении на весь период эксплуатации.
2
3
2
2
2
3
2
2
При этом стоит также отметить, что благодаря явлениям псевдоупруости (сверхэластичности) керамического покрытия с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO, при возникающих деформациях седла вследствие гидроудара и удара диска о седло, оно также деформируется при этом процент деформации керамического покрытия с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO может достигать 7%, что позволяет избежать хрупкого растрескивания покрытия в результате деформации, характерной для других видов керамического покрытия.
2
3
2
2
Керамическое покрытие с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO, имеет повышенную коррозионную стойкость к агрессивным средам, как к щелочным, так и кислотным, что также обуславливает широкое применение данного вида керамики и покрытий на ее основе для изделий, работающих в условиях агрессивной среды при различных температурах.
2
3
2
2
Использование магнетронного метода нанесения покрытий дает возможность нанесения керамического покрытия с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO, обеспечивая необходимую адгезию покрытия с диском. Также магнетронный способ напыления позволяет получить покрытие с заданной плотностью и требуемой толщины.
Таким образом, совокупность приведенных конструктивных признаков обеспечивает достижение заявляемого технического результата.
На фиг. 1 изображена заслонка поворотная дисковая.
2
3
2
2
Заслонка поворотная дисковая, включающая корпус 1 с кольцевой проточкой, выполненной на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1, для фиксации седла 2, изготовленного из материала с эффектом памяти формы, приводной вал 4 с выполненной на посадочной поверхности впадиной 5, установленный в корпус 1, на котором закрепляют посредством выступа 6, выполненного в отверстии поворотного диска 3 под вал 4 со стороны диска 3 параллельно ему, диск 3, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, с нанесенным магнетронным методом напыления керамическим покрытием 7 с эффектом памяти формы на основе YO-TiO-ZrO, перпендикулярно оси симметрии его проходного отверстия и со смещением относительно указанной оси, при этом уплотнительная поверхность седла 2 выполнена в виде цилиндрической поверхности, ось симметрии которой наклонена к оси симметрии проходного отверстия корпуса 1 и имеет в каждом сечении, перпендикулярном оси симметрии проходного отверстия корпуса 1, окружность правильной формы.
Монтаж заслонки поворотной дисковой осуществляют следующим образом. Диск 3, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, с нанесенным на него магнетронным методом керамическим покрытием 7 с эффектом памяти формы, охлаждают парами жидкого азота до температуры соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала с эффектом памяти формы (мартенсит), после чего в отверстии диска 3 под вал сбивают выступ 6, тем самым задавая геометрическую форму и размеры, позволяющие с легкостью осуществить монтаж диска 3 на вал 4. После чего диск 2 нагревают до температуры, соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала с эффектом памяти формы (аустенит). В связи с этим происходит обратный фазовый переход из мартенситного состояния в аустенитное, что способствует возникновению возвратных напряжений и восстановлению первоначальных геометрической формы и размеров диска 3, обеспечивающего самоцентрирование и самофиксирование диска 3 на валу 4 за счет и восстановлению первоначальных геометрической формы и размеров выступа 6, выполненного на диске 3 в строну впадины 5, выполненной на валу 4. При этом выступ 6 на диске 3 и впадина 5 на валу 4 имеют одинаковую форму и размеры. После чего в корпус 1 устанавливают седло 2 и приводной вал 4 с установленным на нем поворотным диском 3.
Таким образом, предлагаемая конструкция заслонки поворотной дисковой, обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик конструкции в целом, в том числе увеличение срока службы диска.