Трехходовой разделительный клапан
Полезная модель относится к трехходовым разделительным клапанам, предназначенным для переключения поступающего по входному каналу потока жидкой или газообразной рабочей среды, на выход по одному из двух имеющихся выходных каналов. Трехходовой разделительный клапан содержит полый корпус с цилиндрической внутренней поверхностью и с отстоящими друг от друга в осевом направлении двумя цилиндрическими расширениями, в которые выходят отверстия выходных каналов, и двумя седлами, с одной стороны корпуса вдоль его оси расположено сквозное отверстие, образующее входной канал, а с другой стороны - отверстие, через которое проходит ползун, соединенный со штоком в виде полого цилиндра, установленного в корпусе с возможностью перемещения по цилиндрической внутренней поверхности между упомянутыми седлами и перекрывания в крайних положениях своей наружной цилиндрической поверхностью одного из упомянутых расширений и соответствующего выходного канала, причем в обоих седлах выполнены кольцевые канавки, в которых установлены эластичные уплотнения, имеющие коническую уплотнительную поверхность, а с обеих сторон штока выполнены ответные конические фаски, контактирующие с конической уплотнительной поверхностью соответствующего эластичного уплотнения при перемещении штока в крайнее положение. Согласно изобретению кольцевая канавка на каждом седле выполнена на его цилиндрической поверхности, и каждое эластичное уплотнение выполнено с фаской, образующей упомянутую коническую уплотнительную поверхность, и имеет кольцевое углубление на торцевой поверхности, смежной с фаской, с возможностью сдвига материала каждого эластичного уплотнения в полость его кольцевого углубления при контакте с конической фаской штока. Полезная модель позволяет повысить надежность работы клапана и увеличить, срок его службы особенно в условиях повышенного загрязнения среды твердыми включениями.
Полезная модель относится к трехходовым разделительным клапанам, предназначенным для переключения поступающего по входному каналу потока жидкой или газообразной рабочей среды на выход по одному из двух имеющихся выходных каналов.
Известны конструкции трехходовых разделительных клапанов, предназначенных для переключения поступающего по входному каналу потока жидкой или газообразной рабочей среды на выход по одному из двух имеющихся выходных каналов, например, клапаны типа Pilzno или аналогичные по конструкции клапаны компании HEIMEIER. Переключение в данных типах клапанов производится с помощью штока, имеющего форму катушки, с тонкой цилиндрической средней частью и двумя дисками по торцам. На двух противоположных наружных плоскостях дисков установлены и зафиксированы металлическими кольцами кольцевые уплотнения из эластичного материала. В корпусе клапана имеется цилиндрическая расточка, предназначенная для установки в нее и передвижения вдоль нее клапана. Входной канал в корпусе клапана заканчивается внутри отверстием на стенке данной расточки. Шток устанавливается в цилиндрическую расточку в корпусе клапана таким образом, что отверстие входного канала при любом положении штока остается между торцевыми дисками штока. В любом из двух крайних положений с помощью ползуна, передвигающего шток, последний прижимается поверхностью одного из уплотнений к торцевой кольцевой поверхности одного из выходных каналов корпуса клапана, чем перекрывает данный канал. Одновременно образуется зазор между вторым торцевым уплотнением штока и торцом второго выходного канала корпуса клапана, что открывает проход рабочей среды из входного канала клапана ко второму выходному каналу. При линейном передвижении штока во второе крайнее положение аналогичным образом перекрывается второй выходной канал и открывается первый.
У обоих описанных выше аналогов одним из недостатков является зависимость возникающих напряжений в эластичном материале уплотнений от давления среды. Это объясняется тем, что в описанных конструкциях при сжатии уплотняющего кольца между уплотняемыми поверхностями, эластомер сжимается и выпучивается наружу из-под сжимающих поверхностей по границе контакта. И, поскольку требуемое усилие прижатия уплотнения штока к уплотняемой поверхности пропорционально давлению среды, то, после достижения определенной величины усилия сжатия эластичного материала, дальнейшее повышение этого усилия может привести к превышению в нем предельных значений напряжений материала и к разрушению уплотняющего элемента, наиболее вероятно по кромке уплотняющего элемента, контактирующей с прижимающими элементами.
Другим недостатком описанных выше аналогов является склонность к повышенному износу имеющихся в них уплотнений в загрязненной твердыми включениями среде. Это объясняется тем, что в положении штока, близком к перекрытию одного (любого) из каналов, весь поток среды с твердыми включениями с повышенной скоростью проходит через щель, в которой одной из стенок является эластичное уплотнение. При этом, во-первых, происходит интенсивный износ эластомера; во-вторых, возможно внедрение твердых включений в тело уплотнений, причем, как раз в зоне наибольших напряжений (см. выше), что может приводить к еще большему износу и разрушению уплотнений.
Наиболее близким к предложенному является трехходовой разделительный клапан по патенту RU 27661 U1, опубликованному 10.02.2003, содержащий полый корпус с цилиндрической внутренней поверхностью и с отстоящими друг от друга в осевом направлении двумя цилиндрическими расширениями, в которые выходят отверстия выходных каналов, и двумя седлами, с одной стороны корпуса вдоль его оси расположено сквозное отверстие, образующее входной канал, а с другой стороны - вставка с отверстием, через которое проходит ползун, соединенный со штоком в виде полого цилиндра, установленного в корпусе с возможностью перемещения по цилиндрической внутренней поверхности между упомянутыми седлами и перекрывания в крайних положениях своей наружной цилиндрической поверхностью одного из упомянутых расширений и соответствующего выходного канала, причем в обоих седлах на внутренней конической поверхности выполнены кольцевые канавки, в которых установлены эластичные уплотнения, имеющие коническую уплотнительную поверхность, а с обеих сторон наружной поверхности штока выполнены ответные конические фаски, контактирующие с конической уплотнительной поверхностью соответствующего эластичного уплотнения при перемещении штока в крайнее положение.
Данный прототип обладает теми же недостатками, что и описанные выше аналоги.
В частности, в предложенной конструкции также имеется зависимость возникающих напряжений в эластичном материале уплотнений от давления среды; причем в данной конструкции имеются два конструктивных места, в которых проявляется данный недостаток, в частности:
- в месте посадки на седло штока конической поверхности фаски полого цилиндра, выполняющего функцию штока, на кольцо из эластомера, уплотняющее данные контактирующие конические поверхности, действует радиальное усилие сжатия эластичного материала и тангенциальное усилие растяжения поверхностного слоя волокон, направленное вдоль контактирующей поверхности, смещающее выступающую наружу из кольцевой канавки часть материала кольца в щель между седлом штока и ответной фаской полого цилиндра. И, поскольку данные усилия пропорциональны давлению среды, то, после достижения определенной величины, дальнейшее повышение этих усилий может привести к надрыву материала или срезу и разрушению уплотняющего элемента по кромке, контактирующей с прижимающим элементом;
- эластичные кольцевые уплотнения, предназначенные для герметизации щелей между неподвижными корпусом и первым подвижным седлом с одного торца клапана, а также между неподвижной крышкой клапана и вторым подвижным седлом с другого торца клапана, для выполнения функций герметизации предварительно сжаты настроенным усилием затяжки крепления крышки к корпусу клапана, причем это усилие зависит от давления среды. При посадке конической фаски полого цилиндра на коническую поверхность подвижного седла, на седло действует радиальное усилие центрирования упомянутых конических поверхностей, растягивающее поверхностные волокна материала кольцевого уплотнения и смещающее выступающую наружу из кольцевой канавки часть волокон кольца в щель между контактирующими уплотняемыми поверхностями. Поскольку требуемое усилие прижатия уплотнения штока к уплотняемой поверхности и радиальное усилие смещения для центрирования седла пропорционально давлению среды, то, после достижения определенной величины усилия растяжения поверхностных волокон эластичного материала, или усилия сжатия материала на кромках контактирующих уплотняемых поверхностей, дальнейшее повышение этого усилия может привести к надрыву или срезу и разрушению уплотняющего элемента.
Кроме того в загрязненной твердыми включениями среде будет повышенный износ уплотнений, поскольку в данной конструкции в положении полого цилиндра, близком к перекрытию одного из каналов, весь поток среды с твердыми включениями с повышенной скоростью проходит через щель, в которой одной из стенок является эластичное уплотнение. При этом, во-первых, будет происходить интенсивный износ эластомера при контакте с твердыми включениями, имеющимися к жидкой среде, во-вторых: возможно внедрение твердых включений в тело уплотнений, причем, как раз в зоне наибольших напряжений, что может приводить к еще большему износу и разрушению уплотнений.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является повышение надежности работы клапана и повышении его технических и эксплуатационных характеристик, включая повышение срока службы в условиях применения для переключения потоков жидкой или газообразной рабочей среды, особенно в условиях повышенного загрязнения среды твердыми включениями, а также в исключении всех вышеперечисленных недостатков, а именно: исключению зависимость запаса прочности материала уплотнения от давления среды и исключению повышенного износа уплотнений, особенно в условиях повышенного загрязнения среды твердыми включениями
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в том, что в предлагаемой модели за счет принятых конструктивных решений при закрывании любого из каналов клапана, возникающие напряжения в эластичном материале уплотнений не зависят от давления среды, а также обеспечена повышенная износостойкость, особенно в условиях повышенного загрязнения среды твердыми включениями как самих уплотнений, так и контактирующих поверхностей как самого штока, так и седла для посадки штока.
Указанная задача решается тем, что трехходовой разделительный клапан, предназначенный для переключения поступающего по входному каналу потока жидкой или газообразной рабочей среды на выход по одному из двух имеющихся выходных каналов, содержит полый корпус с цилиндрической внутренней поверхностью и с отстоящими друг от друга в осевом направлении двумя цилиндрическими расширениями, в которые выходят отверстия выходных каналов, и двумя седлами, с одной стороны корпуса вдоль его оси расположено сквозное отверстие, образующее входной канал, а с другой стороны - отверстие, через которое проходит ползун, соединенный со штоком в виде полого цилиндра, установленного в корпусе с возможностью перемещения по цилиндрической внутренней поверхности между упомянутыми седлами и перекрывания в крайних положениях своей наружной цилиндрической поверхностью одного из упомянутых расширений и соответствующего выходного канала, причем в обоих седлах выполнены кольцевые канавки, в которых установлены эластичные уплотнения, имеющие коническую уплотнительную поверхность, а с обеих сторон штока выполнены ответные конические фаски, контактирующие с конической уплотнительной поверхностью соответствующего эластичного уплотнения при перемещении штока в крайнее положение. Согласно изобретению, кольцевая канавка на каждом седле выполнена на его цилиндрической поверхности, и каждое эластичное уплотнение выполнено с фаской, образующей упомянутую коническую уплотнительную поверхность, и имеет кольцевое углубление на торцевой поверхности, смежной с фаской, с возможностью сдвига материала каждого эластичного уплотнения в полость его кольцевого углубления при контакте с конической фаской штока.
В предлагаемой конструкции клапана величина давления рабочей среды практически не влияет на надежность работы эластичного уплотняющего кольца. Это достигается тем, что шток, при его полной посадке на седло клапана, оказывает не сжимающее воздействие на материал эластичного кольца, а сдвигает волокна эластичного уплотняющего кольца в свободное пространство в кольцевой конической проточке.
Кроме того, указанная задача в частных формах реализации решается также тем, что кольцевое углубление каждого эластичного уплотнения имеет коническую боковую поверхность со стороны фаски.
Кроме того, конические фаски на штоке выполнены с его внутренней стороны, а кольцевые канавки на седлах - с их наружной стороны.
Кроме того, корпус имеет с двух сторон вдоль оси вставки, в одной из которых выполнено указанное входное отверстие, а в другой - отверстие для ползуна, при этом указанные седла образованы концами этих вставок, обращенными внутрь корпуса, при этом па наружной цилиндрической поверхности каждой вставки установлена втулка с возможностью упора одним из своих торцов в соответствующий торец штока при крайнем положении последнего.
Кроме того, на поверхности каждого седла, контактирующей с поверхностью штока, установлена накладка из материала, обладающего более высокой твердостью и износостойкостью по сравнению с материалом седла.
Кроме того, между цилиндрической поверхностью каждой из накладок и внутренней цилиндрической поверхностью штока в его краевых положениях имеется зазор, величина которого выбрана с возможностью обеспечения прохода частиц, размер которых не способен вызвать разрушение материала эластичного уплотнения.
Кроме того, в корпусе клапана выполнено сквозное радиальное отверстие, которое расположено между двумя уплотнительными кольцами, установленными на внутренней цилиндрической поверхности корпуса для уплотнения штока.
Предлагаемая полезная модель поясняется с помощью иллюстративных материалов.
На фиг.1 в разрезе изображен предлагаемый трехходовой разделительный клапан со штоком в положении, при котором открыты входной канал 2 и выходной канал 3 и заперт выходной канал 4.
На фиг.2 в разрезе изображен предлагаемый трехходовой разделительный клапан со штоком в положении, при котором открыты входной канал 2 и выходной канал 4 и заперт выходной канал 3.
На фиг.3 в увеличенном масштабе изображен узел уплотнения - место А на фиг.1.
На фиг.4 в увеличенном масштабе изображена часть узла уплотнения - место Б на фиг.3 со схематичным изображением смещения волокон эластичного кольцевого уплотнения в свободное пространство в кольцевом углублении данного уплотнения при воздействии на волокна усилия от штока и внедрении в волокна твердых включений при загрязненной рабочей среде.
Трехходовой разделительный клапан содержит корпус 1, в котором выполнена цилиндрическая расточка 5 с цилиндрическими расширениями 6 и 7 в расточке, в которые выходят отверстия выходных каналов соответственно 3 и 4.
По обоим концам расточки 5 в ней размещены цилиндрические вставки 8 и 9 с фланцами для закрепления на корпусе 1. Причем вставка 8 имеет сквозное отверстие, образующее входной канал 2 клапана, а вставка 9 - отверстие, в котором передвигается ползун 33 для приведения в движение штока 16 клапана.
Обе вставки 8 и 9 имеют на наружной цилиндрической поверхности в концевых частях со стороны внутренней полости расточки 5 кольцевые канавки 10 и 11, в которые вставлены одинаковые эластичные кольцевые уплотнения 12 и 13, наружный диаметр которых равен наружному диаметру вставок 8 и 9, и которые имеют на наружных открытых кромках фаски 14 (показаны на уплотнении 13 на фиг.3), а на открытых торцевых поверхностях - кольцевые углубления - проточки 15 (показаны па уплотнении 13 на фиг.3). Каждая кольцевая проточка 15 предпочтительно имеет конические боковые стенки, расходящиеся в сторону торцевой поверхности уплотнения 12 или 13.
В расточке 5 между вставками 8 и 9 вставлен и имеет возможность перемещаться вдоль образующей цилиндрической поверхности корпуса 1 шток 16 в виде полого цилиндра с не сплошной перемычкой 19 в средней части, имеющий с обоих концов на внутренних цилиндрических поверхностях фаски 17 и 18 с такой формой и расположением, что в каждом положении штока 16, близком к краевому, коническая поверхность соответствующей фаски 17 и 18 на штоке 16 прилегает и совмещается с ответной конической поверхностью соответствующего эластичного кольцевого уплотнения 12 и 13. При дальнейшем движении штока 16 в конечное положение, соответствующее полному закрытию соответствующего канала клапана, часть материала 34 (см. фиг.4) эластичного кольцевого уплотнения соответственно 13 (фиг.1) или 12 (фиг.2) сдвигается в свободное пространство в кольцевой проточке 15 данных уплотнений.
При этом шток 16 выполнен таким образом, что в каждом из крайних положений его наружная цилиндрическая поверхность перекрывает одно из цилиндрических расширений 6 или 7 в расточке корпуса, в которые выходят отверстия 3 и 4 выходных каналов клапана.
Внутренняя перемычка 19 в штоке 16, предназначенная для крепления ползуна 33, с помощью которого перемещается шток 16, выполнена не сплошной, например, в форме диска с отверстиями 20. Через данные отверстия обеспечивается прохождение потока рабочей среды к выходному отверстию 4, расположенному за перемычкой 19 штока 16, если шток находится в положении, при котором перекрыта полость 6 с выходным отверстием 3.
Между вставками 8 и 9 и корпусом 1 установлены втулки 21 и 22, на наружных торцах которых со стороны, противоположной внутренней полости корпуса 1 клапана, имеются буртики 23 и 24, а в корпусе 1 клапана с обеих сторон имеются проточки 25 и 26, в которых эти буртики размещаются таким образом, что в собранном положении буртики фиксируется в осевом направлении между корпусом 1 клапана, и вставками 8 и 9, а шток 16 в крайнем положении упирается в торец соответствующей втулки 21 или 22, не оказывая сжимающего воздействия в осевом направлении на кольцевое эластичное уплотнение 13 и 12.
На боковой цилиндрической поверхности каждой из вставок 8 и 9 на участке от торца вставки до проточки под кольцевое эластичное уплотнение, соответственно 12 и 13, и на участок торцевой поверхности каждой вставки, прилегающий к кромке, надета и скреплена (напрессована, наплавлена, припаяна или любым другим способом) со вставкой накладка, соответственно 28 и 29 из материала, обладающего более высокой твердостью и износостойкостью по сравнению с материалом вставки.
Эластичные уплотнения 12 и 13 обладают упругой деформацией. Эта деформация позволяет временно (на время закрытого состояния клапана) "поглотить" на поверхности эластомера частицы грязи, сохраняя герметичность уплотнения. Кроме того, малая деформация уплотнения 12 и 13 (на величину не более "А") не приводит к пластическим деформациям, и, следовательно, не ведет к разрушению уплотнения, а твердые и износостойкие накладки 28 и 29 позволяют разрушать крупные частицы грязи (размером более "А") в момент, когда кромка поршня 16 подходит к зоне уплотнения, тем самым сохраняя уплотнение от разрушения и гарантируя герметичность.
В корпусе 1 клапана имеется радиальное отверстие 30 для визуального или инструментального контроля утечек рабочей среды, выходящее наружу корпуса 1, расположенное таким образом, чтобы оно всегда находилось между двумя уплотнительными кольцами 31 и 32, установленными в корпусе 1 клапана для уплотнения штока 16, независимо от положения штока 16 в корпусе 1. В случае нарушения герметичности уплотнительных колец 31 или 32, утечку рабочей среды через отверстие 30 можно обнаружить визуально или с помощью присоединенного к отверстию специального оборудования.
Устройство работает следующим образом.
При работе с помощью усилия, передаваемого ползуном 33 на шток 16, последний перемещается в одно из крайних положений до упора в торец втулки 21 или 22 (см. фиг.1 и 2)
При движении штока 16, когда его торец достигает положения, близкого к закрытию, но при котором еще нет соприкосновения с эластичным кольцевым уплотнением 12 или 13, поток рабочей среды, ускоряясь из-за уменьшения проходного сечения, проходит через кольцевую щель, образованную внутренней цилиндрической поверхностью штока 16 и наружными цилиндрическими поверхностями накладок 28 или 29 из твердого материала. При этом ускоренный поток срывает и вымывает наружу в расширенную полость корпуса 1 твердые частицы, которые потенциально могли внедриться в поверхностные волокна эластичного кольцевого уплотнения 12 или 13. При этом накладки 28 и 29 из твердого материала предохраняют от износа материал вставок 8 и 9.
При дальнейшем движении штока 16 он занимает положение, при котором коническая поверхность фаски 18 или 17 па штоке 16 прилегает и совмещается с ответной конической поверхностью соответствующего эластичного кольцевого уплотнения 13 или 12. При полном закрытии клапана часть волокон эластичного кольцевого уплотнения соответственно 13 или 12 сдвигается в свободное пространство в кольцевой проточке 15 данных уплотнений.
Наружная цилиндрическая поверхность штока 16 в крайнем положении перекрывает цилиндрическое расширение 7 (см. фиг.1) или 6 (см. фиг.2) в расточке 5 корпуса 1, тем самым перекрывая поток рабочей среды через выходной канал 4 и открывая пропуск потока рабочей среды через выходной канал 3 или перекрывая поток рабочей среды через выходной канал 3 и открывая пропуск потока рабочей среды через выходной канал 4.
В случае попадания в рабочую среду твердых включений, те твердые включения 35 (см. фиг.4), размер которых в поперечном направлении не превышает размера зазора «А», в случае их внедрения в поверхность волокон эластичного кольцевого уплотнения 13 сдвигает волокна уплотнения в свободное пространство в кольцевой проточке 15 на величину, не превышающую величину упругой деформации материала эластичного уплотнения 13.
Кроме того, в положении штока 16, близком к закрытию, поток рабочей среды в образовавшейся щели движется с большой скоростью наружу по касательной к уплотнению 12 или 13, причем обеими стенками щели являются металлические элементы, а не эластомер. При этом происходит вымывание или выдавливание из щели твердых включений, смывание твердых включений с поверхности эластичного уплотнения. Таким образом, эластичное уплотнение 12 и 13 предохраняется от износа.
В случае нарушения герметичности уплотнения уплотнительными кольцами 31 и 32, например, из-за их повреждения или повреждения уплотняемых поверхностей, из-за перепада давления между закрытым и открытым выходным каналом, прошедшая в зазор между штоком 16 и корпусом 1 рабочая среда будет выходить из отверстия 30 под действием избыточного давления наружу корпуса 1, при этом утечку рабочей среды можно обнаружить визуально или с помощью присоединенного к отверстию специального оборудования, например, с помощью средства измерения давления.
1. Трехходовой разделительный клапан, содержащий полый корпус с цилиндрической внутренней поверхностью и с отстоящими друг от друга в осевом направлении двумя цилиндрическими расширениями, в которые выходят отверстия выходных каналов, и двумя седлами, с одной стороны корпуса вдоль его оси расположено сквозное отверстие, образующее входной канал, а с другой стороны - отверстие, через которое проходит ползун, соединенный со штоком в виде полого цилиндра, установленного в корпусе с возможностью перемещения по цилиндрической внутренней поверхности между упомянутыми седлами и перекрывания в крайних положениях своей наружной цилиндрической поверхностью одного из упомянутых расширений и соответствующего выходного канала, причем в обоих седлах выполнены кольцевые канавки, в которых установлены эластичные уплотнения, имеющие коническую уплотнительную поверхность, а с обоих сторон штока выполнены ответные конические фаски, контактирующие с конической уплотнительной поверхностью соответствующего эластичного уплотнения при перемещении штока в крайнее положение, отличающийся тем, что кольцевая канавка на каждом седле выполнена на его цилиндрической поверхности, и каждое эластичное уплотнение выполнено с фаской, образующей упомянутую коническую уплотнительную поверхность, и имеет кольцевое углубление на торцевой поверхности, смежной с фаской, с возможностью сдвига материала каждого эластичного уплотнения в полость его кольцевого углубления при контакте с конической фаской штока.
2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что кольцевое углубление каждого эластичного уплотнения имеет коническую боковую поверхность со стороны фаски.
3. Клапан по п.1, отличающийся тем, что конические фаски на штоке выполнены с его внутренней стороны, а кольцевые канавки на седлах - с их наружной стороны.
4. Клапан по п.1, отличающийся тем, что корпус имеет с двух сторон вдоль оси вставки, в одной из которых выполнено указанное входное отверстие, а в другой - отверстие для ползуна, при этом указанные седла образованы концами этих вставок, обращенными внутрь корпуса, при этом на наружной цилиндрической поверхности каждой вставки установлена втулка с возможностью упора одним из своих торцов в соответствующий торец штока при крайнем положении последнего.
5. Клапан по п.1, отличающийся тем, что на поверхности каждого седла, контактирующей с поверхностью штока, установлена накладка из материала, обладающего более высокой твердостью и износостойкостью по сравнению с материалом седла.
6. Клапан по п.5, отличающийся тем, что между цилиндрической поверхностью каждой из накладок и внутренней цилиндрической поверхностью штока в его краевых положениях имеется зазор, величина которого выбрана с возможностью обеспечения прохода частиц, размер которых не способен вызвать разрушение материала эластичного уплотнения.
7. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в корпусе клапана выполнено сквозное радиальное отверстие, которое расположено между двумя уплотнительными кольцами, установленными на внутренней цилиндрической поверхности корпуса для уплотнения штока.
