Клапан перепускной дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения

Авторы патента:


 

Изобретение относится к запорной арматуре и может быть использовано в устройствах для измерения дебита нефтяных скважин.

Клапан перепускной дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения, содержит корпус с перегородкой, седло, подпружиненный запорный орган со штоком и пружиной, уплотнительный элемент из эластомера в форме манжеты, герметизирующий сопряжение седла с запорным органом, дополнительную пружину, шайбу из магнитного материала на штоке, два постоянных магнита, два магнитопровода: верхний и нижний по обеим сторонам шайбы, один из них, верхний, в виде резьбовой пробки ввернут в корпус, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, дроссель в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом, который выполнен в виде диска, сопрягаемого с радиальным зазором с проходным каналом седла и состоит из двух пластин с кольцевой камерой между ними, в которой размещен с зазорами по оси клапана и с возможностью свободного радиального перемещения уплотнительный элемент, выполненный в форме кольца круглого сечения и контактирующий с диаметральным натягом с проходным каналом, причем камера сообщена с пространством под запорным органом, резьбовая пробка выполнена в виде полой крышки, в полость которой установлены дополнительная пружина и подпираемый ею подвижный верхний магнитопровод, ограниченный в перемещении относительно крышки вниз, при этом распорная втулка из немагнитного материала упирается в подвижный верхний магнитопровод посредством полой крышки и пружинного кольца, кроме того, в крышку ввернута резьбовая втулка, в последнюю установлена с возможностью осевого перемещения шпилька, соединенная с концом штока и имеющая на конце дисковый постоянный магнит, сопрягаемый с двумя датчиками положения, установленными с возможностью перемещения по оси на полом колпаке из немагнитного материала, навернутом на резьбовую втулку, при этом датчики положения, которые в качестве чувствительных элементов включают герконы, разнесены по высоте в пределах величины хода штока, дисковый постоянный магнит зажат в гильзе из немагнитного материала между наборами регулировочных шайб из немагнитного и магнитного материалов и магнитопроводами с распорной оболочкой из немагнитного материала между ними, и при этом, цилиндрическая поверхность дросселя представляет собой бесконтактное лабиринтное уплотнение с поверхностью седла клапана, а на торцовой поверхности дросселя выполнены сквозные отверстия, площадь сечения которых выбрана из соотношения

, где:

SОТВ - суммарная площадь отверстий дросселя;

gm - массовый расход рабочей среды;

К - коэффициент констуктивного исполнения элементов;

Р - перепад давления закрытия клапана;

- плотность измеряемой среды;

и, при этом, рабочая площадь сечения уплотнения клапана выбрана, исходя из необходимого перепада давления при закрытом положении клапана в соотношении

, где:

Sупл - рабочая площадь сечения уплотнения клапана;

Fпр - сила пружины в закрытом положении клапана;

Рзак - перепад давления закрытия клапана;

Кроме того предусмотрен клапан, у которого дроссель, представляющий собой бесконтактное лабиринтное уплотнение с поверхностью седла клапана, на торцовой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, смонтирован над запорным органом с уплотнительным элементом.

Использование изобретения позволяет создать надежный, долговечный клапан, эффективный в работе, удобный в обслуживании и настройке.

Полезная модель относится к запорной арматуре и может быть использовано в устройствах для измерения дебита нефтяных скважин.

Известен клапан магниторегулируемый, содержащий корпус с перегородкой, выполненный из металла, седло, манжету из эластомера, закрепленную на седле, подпружиненный шток с запорным органом, сопрягаемый внутренним конусом с манжетой, шайбу из магнитного материала на штоке, два кольцевых постоянных магнита, два магнитопровода, дроссель в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко скрепленный с запорным органом, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, один из которых выполнен в виде втулки, ввернутой на резьбе в корпус, и резьбовой пробки в ней (патент РФ 2307279, F16K 31/08, 27.09.2007).

Известный клапан магниторегулируемый имеет ряд недостатков:

- размагничивание постоянных магнитов и выход из строя эластомерной манжеты вследствие значительной величины скорости перемещения подвижной системы элементов: шток с шайбой и запорным органом с дросселем; что приводит к излишней величине ударного воздействия подвижной системы элементов в крайних точках хода штока на постоянные магниты и эластомерную манжету. При посадке с ударом запорного органа на седло, а также при соприкосновении с ударом шайбы с магнитопроводами, ударные воздействия приводят к постепенному размагничиванию кольцевых магнитов из-за их сотрясения и к разрушению манжеты, в результате динамической деформации ее сверх пределов упругости эластомера и, в том числе, вследствие невозможности диссипации энергии деформации по причине скоротечности процесса по времени. При посадке запорного органа на седло поверхность внутреннего конуса запорного органа вначале с кромкой эластомерной манжеты. При дальнейшем перемещении вниз запорного органа кромка должна скользить относительно поверхности внутреннего конуса вверх со скоростью, равной по величине скорости перемещения запорного органа вниз. При этом стенка юбки манжета должна наклоняться внутрь к центру по радиусу, сжимаясь в окружном направлении, чтобы в конце движения (посадке на седло) запорного органа принять форму, адекватную его конической поверхности. Но скольжение осуществляется со значительным трением эластомера о металл. Скорость скольжения под воздействием сил трения, вызванных инерцией и упругостью стенки, отстает по величине от скорости перемещения запорного органа, поэтому стенка юбки манжета деформируется по высоте сверх пределов упругости эластомера до тех пор, пока величина скорости скольжения кромки под воздействием накопленной силы реакции сдеформированной стенки не сравняется с величиной скорости перемещения запорного органа и скачком не превысит ее. По окончании перемещения вниз запорного органа кромка проскользит вверх до тех пор, пока стенка не примет форму поверхности внутреннего конуса запорного органа, первоначальная динамическая деформация стенки по высоте уменьшится, но не до конца, этому помешают силы трения стенки о поверхность внутреннего конуса под воздействием упругости юбки манжета и перепада давления рабочей среды на нее. Чем больше скорость перемещения запорного органа вниз, тем больше первоначальная динамическая и остаточная деформация стенки по высоте. Тем раньше запорный орган разобьет эластомерную манжету вплоть до ее полного разрушения;

- электрохимическая коррозия штока в месте сопряжения его с перегородкой и магнитопроводом, вызванная блуждающими электротоками, индуцированными перемещением шайбы в магнитном поле постоянных магнитов,

- износ и разрушение штока и перегородки в местах их сопряжения, вызванные вибрацией запорного органа под гидродинамическим воздействием потока рабочей среды с неравномерными полями скорости и плотности, подаваемого под запорный орган. Запорный орган имеет форму чаши, обращенной полостью навстречу потоку, что является причиной вынужденных колебаний его при обтекании потоком в таких крайне неблагоприятных гидродинамических условиях. Размах и сила колебаний запорного органа усугубляется наличием радиального зазора в месте сопряжения штока с перегородкой. Величина зазора постоянно увеличивается вследствие их электрохимической коррозии. Продольные перемещения штока относительно перегородки, со значительной радиальной силой прижимающегося к ней при колебаниях, изнашивают оба элемента в процессе трения, результативность которого повышается за счет увеличения шероховатости трущихся поверхностей из-за электрохимической коррозии. Сила прижатия достигает значительной величины по причине жесткости материала (металл) перегородки, неспособной вследствие этого демпфировать колебания запорного органа с целью уменьшения силы прижатия штока к перегородке. Сочетание всех этих неблагоприятных факторов приводит к износу в лавинообразной форме штока и перегородки в месте их сопряжения и в итоге к их разрушению. Имеет место:

- обрастание парафином рабочего органа и дросселя, что нарушает работу клапана;

- значительные радиальные нагрузки на перегородку от штока при его колебании усугубляются большой массой запорного органа и дросселя, консольно относительно перегородки закрепленных на штоке.

- отсутствие информации о том, в каком положении находится клапан: «Открыто» или «Закрыто».

- затруднения при демонтаже клапана вызванные тем, что запорный орган может быть загружен перепадом давлений остаточной рабочей среды в клапане при перекрытых полостях до и после запорного органа, причем если перепад давления направленный под запорный орган, легко стравливают ослаблением пружины при вращении втулки, ввернутой на резьбе в корпус, то перепад давлений, направленный в обратном направлении, не позволит, без применения больших усилий, освободить запорный орган.

Известен клапан перепускной с магнитной фиксацией и аварийным сбросом, содержащий корпус с перегородкой и крышкой на резьбе, седло, подпружиненный запорный орган со штоком и пружиной, уплотнительный элемент из эластомера в форме манжеты, герметизирующий сопряжение седла с запорным органом, дополнительную пружину, шайбу из магнитного материала на штоке, два постоянных магнита, два магнитопровода: верхний и нижний по обеим сторонам шайбы: один из них, верхний, выполнен в виде резьбовой пробки, ввернутой в корпус, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, дроссель, в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом (патент РФ 2329427, МПК F16K 31/08, 20.07.2008).

Известный клапан имеет ряд недостатков:

- размагничивание постоянных магнитов и разрушение уплотнительного элемента вследствие значительной величины скорости перемещения подвижных элементов, вызывающей большие ударные нагрузки;

- обрастание парафином манжеты, запорного органа и дросселя;

- отсутствие информации о том, в каком положении находится клапан: «Открыто» или «Закрыто»;

- затруднение при демонтаже клапана, вызванное тем, что запорный орган может быть загружен перепадом давления остаточной рабочей среды в клапане при перекрытых полостях, до и после запорного органа, причем если перепад давлений, направленный под запорный орган, легко стравливают ослаблением пружины при вращении резьбовой пробки, то перепад давлений в обратном направлении не позволит, без применения больших усилий, освободить запорный орган;

- ограниченность возможности настройки клапана на задний интервал перепадов давлений на нем путем подбора кольцевых постоянных магнитов необходимой величины магнитной силы, поскольку подбор и установка необходимых магнитов взамен прежних влечет за собой, в большинстве случаев, необходимость изменения конфигураций и размеров сопутствующих магнитам деталей клапана.

Известен клапан перепускной дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения, содержащий корпус с перегородкой, седло, подпружиненный запорный орган со штоком и пружиной, уплотнительный элемент из эластомера в форме манжеты, герметизирующий сопряжение седла с запорным органом, дополнительную пружину, шайбу из магнитного материала на штоке, два постоянных магнита, два магнитопровода: верхний и нижний по обеим сторонам шайбы, один из них, верхний, в виде резьбовой пробки ввернут в корпус, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, дроссель в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом. Запорный орган выполнен в виде диска, сопрягаемого с радиальным зазором с проходным каналом седла и состоит из двух пластин с кольцевой камерой между ними, в которой размещен с зазорами по оси клапана и с возможностью свободного радиального перемещения уплотнительный элемент, выполненный в форме кольца круглого сечения и контактирующий с диаметральным натягом с проходным каналом, причем камера сообщена с пространством под запорным органом, резьбовая пробка выполнена в виде полой крышки, в полость которой установлены дополнительная пружина и подпираемый ею подвижный верхний магнитопровод, ограниченный в перемещении относительно крышки вниз, при этом распорная втулка из немагнитного материала упирается в подвижный верхний магнитопровод посредством полой крышки и пружинного кольца, кроме того, в крышку ввернута резьбовая втулка, в последнюю установлена с возможностью осевого перемещения шпилька, соединенная с концом штока и имеющая на конце дисковый постоянный магнит, сопрягаемый с двумя датчиками положения, установленными с возможностью перемещения по оси на полом колпаке из немагнитного материала, навернутом на резьбовую втулку, при этом датчики положения, которые в качестве чувствительных элементов включают герконы, разнесены по высоте в пределах величины хода штока, дисковый постоянный магнит зажат в гильзе из немагнитного материала между наборами регулировочных шайб из немагнитного и магнитного материалов и магнитопроводами с распорной оболочкой из немагнитного материала между ними (RU, патент 2424461, C1 от 20.07.2011, МПК F16K 31/08).

Недостатками известного клапана являются:

- отказ в работе клапана по причине попадания механических примесей в зазор между седлом и дросселем и его заклинивание;

- неустойчивая работа клапана, а именно, клапан начинает занимать промежуточное положение при попытке сузить широкий диапазон работы по перепаду давления (Р открытия и Р закрытия);

- ограниченная пропускная способность клапана по расходу рабочей среды при нижнем расположении дросселя относительно запорного органа с уплотнительным элементом, так как при любой величине подъема запорного органа над седлом дросселирующий диск не выходит из сопряжения с проходным каналом и величина гидравлического сопротивления сопряжения не меняется.

Известный клапан наиболее близок к полезной модели по технической сути и достигаемым техническим результатам.

Задачей полезной модели является повышение надежности, эффективности работы, удобства обслуживания и настройки клапана перепускного дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения.

Техническим результатом полезной модели является исключение заклинивания и отказов в работе клапана по причине показания механических примесей в зазор между седлом и дросселем, обеспечение устойчивой работы клапана по перепаду давления, увеличение пропускной способности клапана по расходу рабочей среды.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в клапане перепускном дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения, содержащем корпус с перегородкой, седло, подпружиненный запорный орган со штоком и пружиной, уплотнительный элемент из эластомера в форме манжеты, герметизирующий сопряжение седла с запорным органом, дополнительную пружину, шайбу из магнитного материала на штоке, два постоянных магнита, верхний и нижний магнитопроводы по обеим сторонам шайбы, один из них, верхний, в виде резьбовой пробки, ввернут в корпус, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, дроссель, в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом, который выполнен в виде диска и сопрягается с радиальным зазором с проходным каналом седла и состоит из двух пластин с кольцевой камерой между ними, в которой размещен с зазором по оси клапана и с возможностью свободного радиального перемещения уплотнительный элемент, выполненный в форме кольца круглого сечения, и контактирующий с диаметральным натягом с проходным каналом, причем камера сообщена с пространством под запорным органом, резьбовая пробка выполнена в виде полой крышки, в полость которой установлены дополнительная пружина и подпираемый ею подвижный верхний магнитопровод, ограниченный в перемещении относительно крышки вниз, при этом распорная втулка из немагнитного материала упирается в подвижный верхний магнитопровод посредством полой крышки и пружинного кольца, кроме того, в крышку ввернута резьбовая втулка, в последнюю установлена с возможностью осевого перемещения шпилька, соединенная с концом штока и имеющая на конце дисковый постоянный магнит, сопрягаемый с двумя датчиками положения, установленными с возможностью перемещения по оси на полом колпаке из немагнитного материала, навернутом на резьбовую втулку, при этом датчики положения, которые в качестве чувствительных элементов включают герконы, раздвинуты по высоте в пределах величины хода штока, а дисковый постоянный магнит зажат в гильзе из немагнитного материала между наборами регулировочных шайб из немагнитного и магнитного материалов и магнитопроводами с распорной оболочкой из немагнитного материала между ними согласно полезной модели, цилиндрическая поверхность дросселя представляет собой бесконтактное лабиринтное уплотнение с поверхностью седла клапана, а на торцовой поверхности дросселя выполнены сквозные отверстия, площадь сечения которых выбрана из соотношения:

, где:

SОТВ - суммарная площадь отверстий дросселя;

gm - массовый расход рабочей среды;

К - коэффициент констуктивного исполнения элементов;

Р - перепад давления закрытия клапана;

- плотность измеряемой среды;

и, при этом, рабочая площадь сечения уплотнения клапана выбрана, исходя из необходимого перепада давления при закрытом положении клапана в соотношении

, где:

Sупл - рабочая площадь сечения уплотнения клапана;

Fпр - сила пружины в закрытом положении клапана;

Рзак - перепад давления закрытия клапана;

Кроме того, согласно полезной модели, дроссель, представляющий собой бесконтактное лабиринтное уплотнение с поверхностью седла клапана, на торцовой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, смонтирован над запорным органом с уплотнительным элементом.

Сущность полезной модели поясняется чертежами:

Фиг.1 - общий вид клапана в разрезе (дроссель под запорным органом);

Фиг.2 - общий вид клапана в разрезе (дроссель над запорным органом);

Фиг.3 - фрагмент А с фиг.1 (кольцевая камера клапана в промежуточном положении);

Фиг.4 - фрагмент Б с фиг.1 (кольцевая камера клапана в положении «Закрыто»);

Фиг.5 - фрагмент В с фиг.1 (дисковый постоянный магнит и датчики положения);

Фиг.6 - фрагмент Г с фиг.1 (лабиринтное уплотнение седла клапана с дросселем);

Фиг.7 - запорный орган (дроссель под уплотнительным элементом);

Фиг.8 - запорный орган (дроссель над уплотнительным элементом).

Клапан перепускной дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения (в дальнейшем тексте - «клапан») содержит (см. Фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) корпус 1, опорный диск 2 из полимерного материала, установленный в качестве перегородки, седло 3, подпружиненный запорный орган 4 со штоком 5 и пружиной 6. Запорный орган 4 выполнен в виде диска из двух пластин 7 с кольцевой камерой 8 между ними, сопрягаемый радиальным зазором с проходным каналом 9 седла 3. Сопряжение с зазором герметизирует уплотнительный элемент 10, выполненный в форме кольца круглого сечения из эластомера. Уплотнительный элемент 10 посажен в камеру 8 с возможностью радиального перемещения, обеспечиваемого в том числе и зазорами в направлении оси клапана, рассчитанными на разбухание его в рабочей среде, и с диаметральным натягом К относительно проходного канала 9, имеющего заходную фаску 11. Камера 8 отверстием 12 (см. фиг.3) сообщена с пространством под запорным органом 4. На штоке 5 закреплена шайба 13 из магнитного материала, с установленными на клею в кольцевых проточках 14 по обеим ее сторонам двумя рядами сменных дисковых постоянных магнитов 15 из редкоземельных элементов, направленных одноименными полюсами навстречу друг другу и подобранных в количестве, обеспечивающем заданную величину суммарной магнитной силы. Малые габариты и большая магнитная сила отдельно взятого магнита 15 позволяет подобрать заданную величину суммарной магнитной силы изменением характеристики и количества сменных магнитов 15, устанавливаемых на шайбе 13, без изменения ее габаритов и формы, что в противном случае могло бы повлечь значительное изменение конфигурации и размеров многих деталей клапана, сопутствующих шайбе 13. Сменяемость магнитов 15 обеспечивается тем, что в силу их малогабаритности и большой магнитной силы единичных магнитов 15 на месте их установки на шайбе 13 всегда есть свободное место для установки дополнительных магнитов 15. Крепление на клею позволяет при необходимости удалить излишние магниты 15 или заменять имеющиеся на необходимые. Сменяемость магнитов 15 позволяет значительно расширить диапазон регулирования клапана по перепаду давления на нем. Запорный орган 4 подперт пружиной 6, опирающейся с одной стороны на опору 16 на штоке 5, с возможностью регулировки величины ее предварительной силы сжатия путем перестановки опоры 16 с фиксатором 17 вдоль по штоку 5, с другой стороны - в нижний магнитопровод 18. На штоке 5 установлена опорная шайба 19. сопрягаемая с опорным диском 2. С запорным органом 4 на штоке 5 жестко через вставку 20 скреплен дроссель 21 в виде дросселирующего, сопрягаемого с радиальным с зазором 11 с проходным каналом 9 седла 3, диска 22, имеющего выполненные по кругу отверстия 23. Длина вставки 20 равна по величине ходу - S - штока 5. Высота проходного канала 9 седла 3 - Н - равна длине вставки 20. Такое соотношение размеров обеспечивает нахождение диска 22 в канале 9 при поднятом запорном органе 4. т.е. рабочее состояние дросселя 21.

Распорная втулка 24 из немагнитного материала, вставлена с возможностью перемещения между нижним магнитопроводом 18 и полой крышкой 25, ввернутой на резьбе в корпус 1. В полой крышке 25 установлен подвижный верхний магнитопровод 26, подпертый дополнительной пружиной 27 и ограниченный в перемещении вниз относительно крышки 25 пружинным кольцом 28. В крышку 25 ввернута резьбовая втулка 29, в которую с возможностью осевого перемещения установлена шпилька 30, имеющая на конце дисковый постоянный магнит 31 (см. фиг.5), сопрягаемый с двумя датчиками положения 32, 33, установленными на полом колпаке 34 из немагнитного материала, навернутом на втулку 29. Датчики 32, 33 расставлены по высоте в пределах величины - S - хода штока 5, с верхним резьбовым концом которого связана шпилька 30 с помощью гайки 35. В подвижном сопряжении штока 5 и опорного диска 2 в качестве опоры скольжения установлена втулка 36 из бронзы. В подвижном сопряжении штока 5 и нижнего магнитопровода 18 в качестве опоры скольжения установлена втулка 37 из бронзы, в свою очередь вставленная во втулку 38 из полимера в качестве электроизолятора, выполненную разъемной по оси, а последняя уже закреплена в нижнем магнитопроводе 18. Дисковый постоянный магнит 31 зажат в гильзе 39 из немагнитного материала между наборами 40 регулировочных шайб из немагнитного и магнитного материалов и магнитопроводами 41 и 42 с распорной оболочкой 43 из немагнитного материала между ними. Датчики положения 32 и 33 включают в качестве чувствительного элемента геркон 44 и состоят из корпуса 45 из немагнитного материала с фиксирующим винтом 46 и двух крышек 47 из магнитного материала. Нижний магнитопровод 41 ввернут на резьбе в шпильку 30, посаженную во втулку 48 из бронзы, в качестве опоры скольжения, посаженную в свою очередь в разъемную по оси втулку 49 из полимера, последняя уже закреплена в резьбовой втулке 29.

Клапан работает следующим образом: устройство находится в крайнем зафиксированном положении «Закрыто» под действием дисбаланса сил (см. фиг.1.), действующих на запорный орган 4 со штоком 5.

Запорный орган 4 сопряжен с проходным каналом 9 седла 3, опорная шайба 19 сомкнута с опорным диском 2, магнитная шайба 13 примыкает к нижнему магнитопроводу 18. Дисбаланс сил замкнут на опорный диск 2. На запорный орган 4 действует усилие, создаваемое перепадом давления на клапане, ему противостоят: сила упругости пружины 6 и магнитная удерживающая сила нижней магнитной цепи: магнитная шайба 13, ряд сменных дисковых постоянных магнитов 15 снизу шайбы 13, нижний магнитопровод 18; в сумме превышающие усилие от перепада давлений. При достижении перепадом давлений заданной величины - Рмакс - дисбаланс нарушается, шток 5 сдвигается вверх, опорная шайба 19 отрывается от опорного диска 2. Магнитная шайба 13 сдвигается вверх, зазор в нижней магнитной цепи возрастает, а магнитная удерживающая сила цепи стремительно падает по величине до нуля. Под действием дисбаланса сил: усилие от перепада давлений на запорный орган 4, а, по выходе запорного органа 4 из сопряжения с проходным каналом 9, гидродинамическое усилие от потока рабочей среды из проходного канала 9 седла 3 клапана на запорный орган 4 и на дросселирующий диск 22; значительно превышающее по величине силу упругости пружины 6, происходит расфиксация клапана из крайнего положения «Закрыто» и запорный орган 4 со штоком 5 стремительно поднимается вверх до смыкания шайбы 13 с подвижным магнитопроводом 26. Тем самым замыкается верхняя магнитная цепь: шайба 13, ряд сменных дисковых постоянных магнитов 15 вверху шайбы 13, подвижный верхний магнитопровод 26. Магнитная удерживающая сила верхней магнитной цепи в сумме с гидродинамическим усилием потока рабочей среды на запорный орган 4 и дросселирующий диск 22 значительно превышают по величине силу упругости пружины 6. Этим дисбалансом сил клапан фиксируется в крайнем положении - «Открыто».

При снижении перепада давлений на клапане до заданной величины - Рмин - дисбаланс нарушается. Шток 5 сдвигается вниз, вместе с ним сдвигается вниз магнитная шайба 13, зазор в верхней магнитной цепи возрастает, ее магнитная удерживающая сила стремительно падает по величине до нуля. Сила упругости пружины 6 превышает по величине гидродинамическую силу потока, воздействующую на запорный орган 4 и дросселирующий диск 22. Дисбаланс сил расфиксирует клапан из крайнего положения - «Открыто». Шток 5 стремительно отпускается вниз до упора опорной шайбы 19 в опорный диск 2. Запорный орган 4 входит в проходной канал 9 седла 3 и запирает его. Шайба 13 замыкает нижнюю магнитную цепь и тем самым фиксирует клапан в крайнем положении - «Закрыто» аналогично фиксации клапана в крайнем положении - «Открыто». Перемещение штока 5 под действием дисбаланса сил из одного крайнего положения с магнитной фиксацией его в другое и обратно проходит без промежуточных положений, без остановок, что и определяет дискретность действия клапана.

Перемещение штока 5 вниз происходит с заметной величиной скорости. В движении вниз запорный орган 4 не подвергается прямому удару при сопряжении с седлом 3, имеет только место воздействие силы трения уплотнительного элемента 10 о заходную фаску 11 и о стенки проходного клапана 9. Еще имеет место воздействие заходной фаски 11, направленное на деформацию уплотнительного элемента 10. Шток 5 останавливается упором опорной шайбы 19 об опорный диск 2 из полимерного материала, при этом за счет упругости и вязкости полимерного материала опорного диска 2 демпфируется удар. При движении штока 5 вверх удар при соприкосновении магнитной шайбы 13 с подвижным магнитопроводом 26 демпфируется за счет упругости дополнительной пружины 27.

Таким образом, ударные нагрузки на магниты 15 демпфируются и не превышают той недопустимой величины, когда возможно размагничивание магнитов 15 от сотрясения. При перемещении штока 5 магнит 31, на шпильке 30, вступает во взаимодействие с герконами 44 датчиков положения 32, 33, которые сигнализируют по импульсным линиям на пульт контроля о фактическом нахождении штока 5 в одном из крайних фиксированных положений, то есть о положении клапана в положении: «Открыто» или «Закрыто».

Кроме дискретного метода регулирования величины удерживающей магнитной силы нижней магнитной цепи путем установки на магнитную шайбу 13 снизу в ряд сменных магнитов 15 дополнительных или замены уже имеющихся магнитов другими с заданными характеристиками, или снятия излишних, имеется метод плавного дифференцированного регулирования. При вращении резьбовой полой крышки 25 посредством распорной втулки сдвигается в ту или иную необходимую сторону на заданную величину нижней магнитопровод 18, поджатый к распорной втулке 24 пружиной 6.

Между нижним магнитопроводом 18 и магнитной шайбой 13, находящейся в нижнем, фиксированном, крайнем положении на постоянном месте, определяемом упором опорной шайбы 19 в опорный диск 2, образуется зазор величиной от нуля до заданного размера, являющийся сопротивлением в нижней магнитной цепи, удерживающая магнитная сила которой зависит по величине от величины этого зазора. Таким образом, меняя величину зазора, плавно регулируют величину магнитной удерживающей силы нижней магнитной цепи, но только в сторону уменьшения, в отличие от дискретного метода, позволяющего регулировать и в сторону уменьшения, и в сторону увеличения регулируемой величины. Сочетание дискретного и дифференцированного методов позволяет резко повысить точность и качество регулирования, значительно расширить его диапазон и увеличить возможности клапана.

Регулирование величины магнитной удерживающей силы верхней магнитной цепи осуществляется дискретным способом, аналогично регулированию нижней магнитной цепи, путем подбора сменных магнитов 15 с соответствующей характеристикой и установки их сверху магнитной шайбы 13 в кольцевую проточку 14 или же путем изменения количества сменных магнитов 15, уже установленных на место.

Бронзовые втулки 36 и 37, установленные на шток 5 в качестве опор скольжения, и втулка 48 на шпильке 30 в том же качестве, препятствуют заклиниванию штока 5 и шпильки 30 в результате разбухания полимерного материала опорного диска 2 и разъемных втулок 38 и 49 в рабочей среде.

Детали 2, 38 и 49 служат электроизоляторами, препятствующими протеканию блуждающих токов, в противном случае это чревато электрохимической коррозией в сопряжениях металлических деталей с зазором.

Опорный диск 2 за счет упругости и вязкости полимерного материала демпфирует колебания штока 5 с консольно относительно опоры расположенными на нем запорным органом 4, вставкой 20, дросселирующим диском 22, вызываемые гидродинамическим воздействием потока рабочей среды из канала 9 на запорный орган 4. При этом нужно отметить, что воздействие потока слабее, чем у аналогов в подобном случае, поскольку в отличие от аналогов дискообразная форма запорного органа 4 гидродинамически совершеннее, чем конус навстречу потоку, поэтому ниже интенсивность колебаний штока 5.

Предотвращение отложений парафина на стенки канала 9, запорный орган 4, дросселирующий диск 22 обеспечивается самоочищением поверхностей этих элементов от начинающихся отложений при каждом ходе штока 5.

При ходе запорного органа 4 парафин со стенок канала 9 срезается кромками пластин 7, его составляющих, и выносится в момент начала хода вверх скоростной струей потока рабочей среды в зазор между заходной фаской 11 и цилиндрической поверхностью запорного органа 4. При дальнейшем ходе штока 5 скоростная струя из зазора 11 между стенкой канала 9 и дросселирующим диском 22 смывает со стенок начинающий оседать парафин и уносит его потоком. При полном открытии скоростные струи из отверстий 23 смывают начинающий оседать парафин на вставке 20. разбиваются о нижнюю поверхность запорного органа 4. веером омывают ее попутно смывая с нее парафин, и уносят его с потоком рабочей среды из канала 9.

При посадке рабочего органа 4 в проходной канал 9 седла 3 уплотнительный элемент 10 за счет диаметрального натяга К относительно канала 9 деформируется по радиусу, что вызывает также и деформацию элемента 10 по оси штока, создавая предварительное контактное давление на стенки канала 9 и кольцевой камеры 8, обеспечивающее предварительную герметизацию сопряжения запорного органа 4 и канала 9. При прохождении заходной фаски 11 уплотнительный элемент 10 по радиусу сдвигается в камеру 8 и вытесняет через отверстия 12 находящуюся там рабочую среду с начинающим оседать парафином в пространство под запорным органом 4, поскольку давление рабочей среды в пространстве не успело вырасти до необходимой величины.

После окончания посадки давление рабочей среды под запорным органом 4 возрастает, распространяется через отверстия 12 в камеру 8 и поджимает запорный орган 4 к стенкам канала 9 и камеры 8. создавая на них дополнительное контактное давление, создающее в сумме с предварительным рабочее контактное давление, герметизирующее сопряжение. По выходе запорного органа 4 из канала 9 уплотнительный элемент 10 освобождается от деформирующих его нагрузок и принимает свободные первоначальные размеры и форму.

При демонтаже с места установки клапан будет находиться в положении «Закрыто», поскольку предклапанное пространство будет отключено от источника рабочей соеды разгружено от ее давления и самой среды.

Заклапанное пространство достаточно отключить от объекта нагнетания среды, но при этом давление среды в этом случае будет сохранено. Перепад давлений, направленный обратно рабочему в этом случае, также как и в других экстремальных аналогичных случаях, будет достаточно значителен.

Сила воздействия перепада давлений на рабочий орган 4, т.е. его загрузка будет велика что с учетом большой магнитной удерживающей силы нижней магнитной цепи, включающей: ряд магнитов 15, шайба 13 и нижний магнитопровод 18; будет представлять серьезную проблему при удалении запорного органа 4 из канала 9. Магнитную удерживающую силу можно устранить, разомкнув шайбу 13 и нижний магнитопровод 18 ввертыванием в корпус 1 крышки 25. а силу от перепада давлений можно уменьшить, только стравив большую часть перепада давлении, то есть разгрузив клапан. Разгрузка клапана осуществляется уплотнительным элементом 10 совместно с камерой 8, выполняющими в этом случае функцию обратного клапана. Давление рабочей среды в заклапанном пространстве отожмет через зазор 12 между каналом 9 и запорным органом 4 уплотнительный элемент 10 от верхней стенки камеры 8 и через камеру 8 и отверстия 12 рабочая среда отправится в предклапанное пространство.

Конструкция установки дискового постоянного магнита 31 на шпильке 30 позволяет регулировать величину силы магнитного поля магнита 31, воздействующей на геркон 44, адаптировать конфигурацию магнитного поля к размерам геркона 44, что расширяет выбор магнитов 31 и герконов 44 из имеющегося в наличии ассортимента их характеристик и размеров, а также, что наиболее важно, способствует более точной координации крайних фиксированных положений штока 5. Наличие крышек 47 из магнитного материала с эксцентриситетом их дисковой формы в сторону геркона 44 деформирует магнитное поле таким образом, что большая часть магнитных силовых линий будет проходить вблизи геркона 44, что увеличивает силу магнитного поля, действующей на геркон 44.

Лабиринтное уплотнение дросселя 21 с поверхностью седла 3 клапана позволяет устранить попадание механических примесей в зазор между седлом 3 и дросселем 21, его заклинивание, повысить герметизацию сопряжения дросселя 21 с седлом 3 клапана и исключить отказ в работе клапана.

В сочетании с лабиринтным уплотнением дросселя 21 с седлом 3 клапана суммарная площадь отверстий 23 дросселя 21 и рабочая площадь уплотнения сечения клапана выбраны, исходя из необходимого перепада давления при закрытом положении клапана, его пропускной способности и необходимого гидравлического сопротивления, что исключает неустойчивую работу клапана, выраженную в попытке его занимать промежуточное положение.

Верхнее расположение дросселя 21 относительно запорного органа 4 увеличивает пропускную способность клапана по расходу рабочей среды.

Использование полезной модели позволит создать надежный, долговечный клапан, эффективный в работе, удобный в обслуживании и настройке.

1. Клапан перепускной дискретного действия с магнитной фиксацией, разгрузкой и контролем положения, содержащий корпус с перегородкой, седло, подпружиненный запорный орган со штоком и пружиной, уплотнительный элемент из эластомера в форме манжеты, герметизирующий сопряжение седла с запорным органом, дополнительную пружину, шайбу из магнитного материала на штоке, два постоянных магнита, два магнитопровода, верхний и нижний, по обеим сторонам шайбы, один из них, верхний, в виде резьбовой пробки ввернут в корпус, распорную втулку из немагнитного материала между магнитопроводами, дроссель в виде дросселирующего диска в проходном канале седла, жестко связанный с запорным органом, который выполнен в виде диска, сопрягаемого с радиальным зазором с проходным каналом седла, и состоит из двух пластин с кольцевой камерой между ними, в которой размещен с зазорами по оси клапана и с возможностью свободного радиального перемещения уплотнительный элемент, выполненный в форме кольца круглого сечения и контактирующий с диаметральным натягом с проходным каналом, причем камера сообщена с пространством под запорным органом, резьбовая пробка выполнена в виде полой крышки, в полость которой установлены дополнительная пружина и подпираемый ею подвижный верхний магнитопровод, ограниченный в перемещении относительно крышки вниз, при этом распорная втулка из немагнитного материала упирается в подвижный верхний магнитопровод посредством полой крышки и пружинного кольца, кроме того, в крышку ввернута резьбовая втулка, в последнюю установлена с возможностью осевого перемещения шпилька, соединенная с концом штока и имеющая на конце дисковый постоянный магнит, сопрягаемый с двумя датчиками положения, установленными с возможностью перемещения по оси на полом колпаке из немагнитного материала, навернутом на резьбовую втулку, при этом датчики положения, которые в качестве чувствительных элементов включают герконы, разнесены по высоте в пределах величины хода штока, дисковый постоянный магнит зажат в гильзе из немагнитного материала между наборами регулировочных шайб из немагнитного и магнитного материалов и магнитопроводами с распорной оболочкой из немагнитного материала между ними, отличающийся тем, что цилиндрическая поверхность дросселя представляет собой бесконтактное лабиринтное уплотнение с поверхностью седла клапана, а на торцовой поверхности дросселя выполнены сквозные отверстия, площадь сечения которых выбрана из соотношения

,

где SОТВ - суммарная площадь отверстий дросселя;

gm - массовый расход рабочей среды;

K - коэффициент констуктивного исполнения элементов;

Р - перепад давлений закрытия клапана;

- плотность измеряемой среды,

и при этом рабочая площадь сечения уплотнения клапана выбрана, исходя из необходимого перепада давлений при закрытом положении клапана в соотношении

,

где Sупл - рабочая площадь сечения уплотнения клапана;

Fпр - сила пружины в закрытом положении клапана;

Рзак - перепад давлений закрытия клапана.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что дроссель, представляющий собой бесконтактное лабиринтное уплотнение с поверхностьюседла клапана, на торцовой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, смонтирован над запорным органом с уплотнительным элементом.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:
Наверх