Запорно-регулирующий клапан
Область применения: в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами. Техническая задача: создание запорно-регулирующего клапана, обладающего при фиксированном максимальном значении площади проходного сечения и высокой надежности герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях пониженными габаритными размерами и повышенными технологичностью и межремонтным сроком службы. Сущность: запорно-регулирующий клапан содержит корпус 1 с присоединительными входным 2 и выходным 3 каналами, в расточке которого выполнено седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском 6, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски 5 седла 4, и проходным отверстием 7 и размещен запорно-регулирующий элемент 8 с соосными направляющей цилиндрической частью 9, буртом 10 с запорной фаской 11, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском 12, регулирующим хвостовиком 13, штоком 14, конец которого через уплотненное отверстие в крышке 16, герметично закрывающей корпус 1 и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 8 со стороны, противоположной седлу 4, выходит за пределы корпуса 1. Запорно-регулирующий элемент 8 выполнен с жестко соединенным с ним поршнем 15 и установлен с образованием со стороны его бурта 10 входной полости 17, соединенной с входным каналом 2, с образованием между боковой поверхностью 18 хвостовика 13 и поверхностью центрального проходного отверстия 7 седла 4 канала 19, соединенного с выходным каналом 3, с образованием между поверхностями поршня 15 и крышки 16 надклапанной полости 20, сообщенной посредством отверстия 21 с выходным каналом 3 и с образованием между поверхностями поршня 15 и корпуса 1 дренажной полости 22, которая соединена с присоединительным дренажным каналом 23. Диаметр направляющей цилиндрической части 9 запорно-регулирующего элемента 8 выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска 12, а эффективная площадь запорно-регулирующего элемента 8 со стороны надклапанной полости 20 имеет значение, большее площади поперечного сечения его направляющей части 9. Диаметры составных частей запорно-регулирующего элемента 8 во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале 3 клапана удовлетворяют системе неравенств. 2 илл.
Изобретение относится к области гидравлической аппаратуры, а именно, к напорным запорно-регулирующим клапанам, то есть клапанам, предназначенным для плавного регулирования расхода рабочей жидкости на участке между источником питания высокого давления и гидродвигателем от нуля (при полном перекрытии проходного сечения клапана) до соответствующего максимума (при открытии проходного сечения клапана на максимальную величину), и может быть использовано, в частности, в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.
Известен запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом [1, фиг.4, 5]. У указанного клапана кроме упомянутого верхнего штока, расположенного со стороны надклапанной полости и имеющего диаметр, меньший диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, имеется нижний шток, расположенный со стороны выходного канала клапана и через уплотненное отверстие выходящий за пределы корпуса клапана (выходное звено управляющего привода соединяется с одним из этих штоков). Оба штока зафиксированы в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента и имеют одинаковые диаметры, а эффективные площади поверхностей, участвующих в передаче усилия со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, имеют значения, обеспечивающие полную или практически полную разгрузку запорно-регулирующего элемента от сил гидростатического давления жидкости.
В силу практически полной разгрузки запорно-регулирующего элемента известного клапана от сил гидростатического давления жидкости контактные напряжения в зоне соприкосновения уплотнительной фаски седла и запорной фаски запорно-регулирующего элемента, необходимые для обеспечения герметичного разделения входной и выходной полостей клапана, создаются посредством управляющего привода клапана. При нарушении связи соответствующего штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана или отказе указанного привода контактные напряжения в зоне соприкосновения уплотнительной фаски седла и запорной фаски запорно-регулирующего элемента снижаются, и герметичность клапана нарушается.
При открытом проходном сечении клапана результирующая сила давления, действующая со стороны рабочей жидкости на его запорно-регулирующий элемент (по причине практически полной разгрузки запорно-регулирующего элемента рассматриваемого клапана от сил гидростатического давления жидкости), может иметь значение, не достаточное для преодоления сил трения в подвижных парах и перемещения запорно-регулирующего элемента в положение, при котором проходное сечение клапана закрыто (более того, эта сила может действовать в направлении открытия проходного сечения клапана). Поэтому при нарушении связи соответствующего, штока с выходным звеном управляющего привода клапана или отказе указанного привода запорно-регулирующий элемент может остаться в положении, при котором проходное сечение клапана открыто, что не допустимо из соображений безопасности, так как сопровождается движением выходного звена гидродвигателя и приводимого им рабочего оборудования и может привести к аварийной ситуации. Указанное обстоятельство (недостаточная надежность герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях) является основным недостатком известного запорно-регулирующего клапана.
Центральное проходное отверстие седла данного клапана на участке между уплотнительной фаской и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском имеет коническую поверхность (с вершиной конуса, направленной в сторону выходного канала). Регулируемое проходное сечение клапана образуется между указанной конической поверхностью седла и нижней кромкой ответного цилиндрического уплотняющего пояска, выполненного на хвостовике запорно-регулирующего элемента со стороны выходного канала клапана. При этом закон изменения площади Ар.о.кл проходного сечения рабочего окна, открываемого запорно-регулирующим элементом после его подъема относительно седла на величину перекрытия уплотняющих цилиндрических поясков, в функции его дальнейшего перемещения х относительно седла близок к линейному. При линейном же законе изменения площади проходного сечения клапана от перемещения его запорно-регулирующего элемента, как известно, относительная погрешность регулирования расхода рабочей жидкости при фиксированной погрешности установки запорно-регулирующего элемента в требуемую позицию и прочих равных условиях очень существенно зависит от величины х и теоретически увеличивается по гиперболической зависимости при уменьшении х (см.: Гойдо М.Е. Гидроаппаратура с пропорциональным электрическим управлением: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2000. - С.27-28).
Таким образом, существующий запорно-регулирующий клапан характеризуется низкой точностью регулирования расхода в области малых открытий запорно-регулирующим элементом проходного сечения, что также является его существенным недостатком.
Кроме того, поскольку максимальная площадь проходного сечения клапана определяется площадью кольца, больший (внешний) диаметр которого равен диаметру центрального цилиндрического уплотняющего пояска седла, а меньший (внутренний) диаметр равен диаметру нижнего штока запорно-регулирующего элемента, то исполнение центрального проходного отверстия седла на участке между уплотнительной фаской и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском с конической поверхностью (с вершиной конуса, направленной в сторону выходного канала) при прочих равных условиях влечет за собой необходимость увеличения диаметра седла и поперечных размеров клапана в целом, что является нерациональным.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является принятый в качестве прототипа запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом [2]. У указанного клапана кроме упомянутого верхнего штока, расположенного со стороны надклапанной полости и имеющего диаметр, меньший диаметра направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента, имеется нижний шток, расположенный со стороны выходного канала клапана и через уплотненное отверстие выходящий за пределы корпуса клапана. Оба штока зафиксированы в осевом направлении относительно запорно-регулирующего элемента, при этом диаметр верхнего штока запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра нижнего штока, и указанные диаметры во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют следующей системе неравенств:
где Dн - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;
Dк.н., Dк.в - соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла;
Dш.н , Dш.в - диаметры соответственно нижнего и верхнего штоков запорно-регулирующего элемента;
Dн.з - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;
рnum - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана;
р - давление в выходном канале клапана (0
ррnum);
mim, mах - значения соответственно минимального (из условия обеспечения герметичности) и максимального (из условия прочности) допустимых напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла (min>рnum);
R - усилие, которое необходимо приложить к запорно-регулирующему элементу для перемещения его в направлении седла до соприкосновении с ним из положения, при котором проходное сечение клапана открыто.
Кроме того, боковая поверхность регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента клапана спрофилирована на основании следующего уравнения, устанавливающего связь между текущим потребным значением диаметра Dz регулирующего хвостовика и координатой z, отсчитываемой вдоль оси хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента:
где Dn.c - диаметр центрального цилиндрического уплотняющего пояска седла;
D z - текущее потребное значение диаметра регулирующего хвостовика;
z - координата, отсчитываемая вдоль оси регулирующего хвостовика от плоскости его стыка с цилиндрическим уплотняющим пояском запорно-регулирующего элемента;
A 0 - начальное значение площади проходного сечения между регулирующим хвостовиком запорно-регулирующего элемента и центральным цилиндрическим уплотняющим пояском седла, равное площади кольца, наружный диаметр которого равен диаметру уплотняющего пояска седла, а внутренний - диаметру цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;
- допустимая величина относительной погрешности регулирования расхода рабочей жидкости;
- максимальное абсолютное значение погрешности установки запорно-регулирующего элемента клапана в требуемую позицию.
Отмеченные признаки известного запорно-регулирующего клапана предопределяют при любом значении давления в его выходном канале из диапазона от нуля до значения давления во входном канале клапана (давления питания) действие результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент в направлении седла запорно-регулирующего элемента, то есть в направлении закрытия его проходного сечения, и обеспечивают закрытие проходного сечения клапана и герметичное разделение его входного и выходного каналов в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана). Поскольку Dш.н>Dш.в, то для связи с выходным звеном управляющего привода клапана целесообразным является использование нижнего штока запорно-регулирующего элемента.
Выполнение профиля боковой поверхности регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента согласно известному техническому решению обеспечивает высокую (с относительной погрешностью, не превышающей заданную допустимую величину ) точность регулирования расхода рабочей жидкости посредством клапана во всем диапазоне изменения площади его проходного сечения.
Наличие в конструкции известного запорно-регулирующего клапана нижнего штока, расположенного со стороны выходного канала клапана и через уплотненное отверстие выходящего за пределы корпуса клапана, существенно увеличивает длину запорно-регулирующего элемента и размер в осевом направлении клапана в целом, усложняет изготовление запорно-регулирующего элемента (то есть снижает его технологичность), приводит к необходимости увеличения диаметра седла клапана для обеспечения необходимого максимального проходного сечения клапана. Нижний шток, омываясь потоком рабочей жидкости при протекании ее через клапан, не только при прочих равных условиях уменьшает площадь проходного сечения для потока, но и подвергается кавитационному износу, что снижает межремонтный срок службы клапана.
Таким образом, рассматриваемый запорно-регулирующий клапан характеризуется повышенными габаритными размерами и недостаточными технологичностью и межремонтным сроком службы, что является его недостатком.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание запорно-регулирующего клапана, обладающего при фиксированном максимальном значении площади проходного сечения и высокой надежности герметичного закрытия проходного сечения в нештатных ситуациях пониженными габаритными размерами и повышенными технологичностью и межремонтным сроком службы.
Для решения поставленной технической задачи в известном запорно-регулирующем клапане, содержащем корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом, согласно изобретению запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, одна из двух полостей, образованных этим поршнем с корпусом и крышкой клапана, является надклапанной, а другая соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента, а диаметры составных частей запорно-регулирующего элемента во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют следующей системе неравенств:
где Dн - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;
Dк.н., Dк.в - соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла;
Dn - диаметр поршня запорно-регулирующего элемента;
Dшт - уплотняемый диаметр отверстия в крышке клапана;
Dн.з - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;
рпит - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана;
р - давление в выходном канале клапана (0ррпит);
min, mах - значения соответственно минимального (из условия обеспечения герметичности) и максимального (из условия прочности) допустимых напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла (min>pпит);
R - усилие, которое необходимо приложить к запорно-регулирующему элементу для перемещения его в направлении седла до соприкосновении с ним из положения, при котором проходное сечение клапана открыто.
Выполнение запорно-регулирующего элемента с жестко соединенным с ним поршнем, одна из двух полостей, образованных которым с корпусом и крышкой клапана, является надклапанной, а другая соединена с присоединительным дренажным каналом, и превышение эффективной площадью запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента предопределяют при любом значении давления в выходном канале клапана из диапазона от нуля до значения давления во входном канале клапана (давления питания) действие результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент в направлении седла запорно-регулирующего элемента, то есть в направлении закрытия его проходного сечения, и тем самым создают предпосылки для закрытия проходного сечения клапана и обеспечения герметичного разделения его входного и выходного каналов в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана).
Последнее положение подтверждается следующими нижеприведенными выкладками.
При закрытом проходном сечении клапана (при наличии контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла) результирующая сила Рприж гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, прижимающая его к седлу, очевидно, равна:
Поскольку согласно настоящему изобретению Dн<Dn.з и, по умолчанию, Dn.з <Dк.в<Dк.н, то заведомо имеет место неравенство: Dн<Dк.н - и величина усилия Рприж при p=0
является строго положительной.
Согласно выражению (3) величина Рприж линейно зависит от величины давления p с коэффициентом пропорциональности В:
При В=0 величина Рприж фактически не зависит от давления р и при любом его значении остается постоянной и равной Рприж.0.
При В>0 величина Рприж с увеличением значения давления p от нуля до Рпит увеличивается по сравнению с величиной Р приж.0 и, таким образом, заведомо всегда является положительной.
При В<0 величина Рприж с увеличением значения давления р от нуля до рпит уменьшается по сравнению с величиной Рприж.0.
Однако, поскольку при р=рпит в соответствии с выражением (3) величина Рприж при любом значении В принимает значение Рприж.пред:
или
| где | An - эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости, Аn= /4(Dn2-Dшт2 ), |
Aн - площадь поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента, Ан=/4Dн
2,-
а согласно изобретению А n>Аn, то даже при В<0 и р=рпит величина Рприж остается существенно положительной, что и требовалось доказать.
При отсутствии контакта между запорной фаской запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаской седла в первом приближении (при пренебрежении, в частности, дополнительной силой воздействия со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент, связанной с изменением количества движения жидкости при прохождении ею через открытое запорно-регулирующим элементом проходное сечение) сила Рзакр, действующая со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент и направленная в сторону его седла, может быть представлена следующим образом:
Поскольку в соответствии с предлагаемым изобретением Dн<Dn.з, то величина усилия Рзакр при р=0
является строго положительной.
Согласно выражению (8) величина Рзакр линейно зависит от величины давления р с коэффициентом пропорциональности С:
Так как Dn.з<Dк.в , то заведомо С>В и, в частности, при В=0 величина С обязательно является положительной.
При С=0 величина Р закр фактически не зависит от давления р и при любом его значении остается постоянной и равной Рзакр.0.
При С>0 величина Рзакр с увеличением значения давления р от нуля до Рпит увеличивается по сравнению с величиной Рзакр.0 и, таким образом, очевидно, всегда является положительной.
При С<0 величина Рзакр с увеличением значения давления p от нуля до Рпит уменьшается по сравнению с величиной Рзакр.0.
Однако, поскольку при р=р пит в соответствии с выражением (8) величина Рзакр при любом значении С принимает значение Рзакр.пред :
или
а согласно изобретению An >Ан, то даже при С<0 и р=рпит величина Рзакр остается существенно положительной, на что и указывалось выше.
Выполнение диаметров направляющей цилиндрической части, цилиндрического уплотняющего пояска, и поршня запорно-регулирующего элемента, а также уплотняемого отверстия в крышке таким образом, что эти диаметры в дополнение к тому, что они удовлетворяют сформулированным ранее соотношениям, еще и во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют системе неравенств (1), (2), даже при неисправности управляющего привода клапана обеспечивает: во-первых, при закрытом проходном сечении клапана создание на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла напряжений, достаточных для обеспечения герметичного разделения входного и выходного каналов клапана и в то же время не превосходящих значение напряжений, допустимое из условия прочности контактирующих поверхностей [см. неравенство (1)]; во-вторых, при открытом проходном сечении клапана действие на запорно-регулирующий элемент со стороны рабочей жидкости усилия, превышающего соответствующие силы сопротивления и достаточного для перемещения запорно-регулирующего в направлении седла до соприкосновении с ним [см. неравенство (2)].
Таким образом, реализация предлагаемого изобретения гарантирует повышенную надежность герметичного закрытия проходного сечения запорно-регулирующего клапана в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана).
Следует отметить, что при назначении величины максимального допустимого напряжения mах на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла должно учитываться то обстоятельство, что при исправном управляющем приводе клапана он при закрытом проходном сечении клапана обеспечивает дополнительно усилие, прижимающее запорно-регулирующий элемент к седлу (то есть величина mах должна быть соответствующим образом занижена по сравнению с предельно возможным значением контактных напряжений для используемых материалов деталей).
Поскольку при увеличении давления p в выходном канале клапана от нуля до значения рпит увеличение контактных напряжений между запорной фаской запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаской седла:
не имеет смысла [так как с увеличением давления р перепад давления (рпит-р) на уплотняемом участке уменьшается], то является целесообразным при проектировании запорно-регулирующего клапана в первом приближении исходить из условия соблюдения следующих [более "жестких" по сравнению с неравенством (1)] соотношений:
При выполнении соотношения (14), что равносильно равенству: В=0 [см. выражение (5)], - автоматически выполняется неравенство:
которое соответствует неравенству: С>0 [см. выражение (10)].
В рассматриваемом случае, как отмечалось выше, величина силы Рзакр, действующей со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент в направлении его седла, при увеличении значения давления р от нуля до рпит увеличивается, и поэтому, если неравенство (2) выполняется при р=0, то оно выполняется во всем диапазоне значений давления р от нуля до рпит. В связи с этим для обеспечения закрытия проходного сечения клапана под действием рабочей жидкости вместо выполнения неравенства (2) достаточно выполнение неравенства:
на основании которого получаем следующее соотношение для выбора диаметра Dн направляющей части запорно-регулирующего элемента:
Значение диаметра Dn.з принимается на основании информации о потребном диаметре Dy условного прохода запорно-регулирующего клапана (Dn.з
Dy) или о его потребной пропускной способности при заданном перепаде давления.
Поскольку шток запорно-регулирующего элемента используется для связи с выходным звеном управляющего привода клапана, то есть является силовым, то его диаметр определяется исходя из расчетов на прочность и на продольную устойчивость и предопределяет значение диаметра Dшт уплотненного отверстия в крышке клапана. В частном случае эти диаметры равны.
На основании выражений (13), (14) и (15) получаем следующую формулу для определения потребного значения наружного диаметра Dк.н поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла:
Внутренний диаметр Dк.в поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла выбирается из конструктивных соображений (Dк.в>Dn.з) таким образом, чтобы самое узкое проходное сечение, открываемое запорно-регулирующим элементом, на всем протяжении хода последнего представляло собой боковую поверхность усеченного конуса, образованную нормалями к боковой профилированной поверхности регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента, проведенными из точек кромки цилиндрического уплотнительного пояска седла, ближней к уплотнительной фаске последнего.
На основании соотношения (14) выражение для определения диаметра Dn поршня запорно-регулирующего элемента имеет вид
Полученные в результате расчета значения диаметров подлежат округлению и уточнению (с учетом ряда нормальных значений диаметров подвижных уплотняющих цилиндрических пар, номенклатуры используемых уплотнений и т.д.) и, в конечном итоге, во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана должны удовлетворять системе неравенств (1) и (2).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструктивная схема запорно-регулирующего клапана без управляющего привода, на фиг.2 - конструктивная схема запорно-регулирующего клапана с гидроцилиндром управления.
Запорно-регулирующий клапан (фиг.1) содержит корпус 1 с присоединительными входным 2 и выходным 3 каналами. В соосных расточках корпуса 1 неподвижно установлено седло 4 с уплотнительной фаской 5 и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском 6, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски 5 седла 4, и проходным отверстием 7, а также размещен запорно-регулирующий элемент 8 с соосными направляющей цилиндрической частью 9, буртом 10 с запорной фаской 11, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском 12, регулирующим хвостовиком 13 и штоком 14.
Запорно-регулирующий элемент 8 выполнен с жестко соединенным с ним поршнем 15. При контакте запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 ответный цилиндрический уплотняющий поясок 12 запорно-регулирующего элемента 8 образует с центральным цилиндрическим уплотняющим пояском 6 седла 4 золотниковую пару с гарантированным радиальным зазором и положительным перекрытием. Корпус 1 герметично закрыт крышкой 16, расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу 8 со стороны, противоположной седлу 4 клапана. Запорно-регулирующий элемент 8 установлен с образованием со стороны его бурта 10 входной полости 17, соединенной с присоединительным входным каналом 2 клапана, с образованием между боковой поверхностью 18 регулирующего хвостовика 13 запорно-регулирующего элемента 8 и поверхностью центрального проходного отверстия 7 седла 4 канала 19, соединенного с присоединительным выходным каналом 3 клапана, с образованием между поверхностями поршня 15 и крышки 16 надклапанной полости 20, сообщенной посредством отверстия 21, выполненного в корпусе 1, с присоединительным выходным каналом 3 и с образованием между поверхностями поршня 15 и корпуса 1 дренажной полости 22, которая соединена с присоединительным дренажным каналом 23, в котором давление равно атмосферному (избыточное давление равно нулю).
Конец штока 14 со стороны надклапанной полости 20 через соответствующее уплотненное отверстие, выполненное в крышке 16, выходит за пределы корпуса 1 клапана.
Диаметр Dн направляющей цилиндрической части 9 запорно-регулирующего элемента 8 выполнен меньше диаметра Dn.з его цилиндрического уплотняющего пояска 12. Эффективная площадь An=/4(Dn2-Dшт2) запорно-регулирующего элемента 8 со стороны надклапанной полости 20 имеет значение, большее площади А н=/4Dн2 поперечного сечения его направляющей части 9, а диаметры составных частей запорно-регулирующего элемента 8 во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале 3 клапана удовлетворяют системе неравенств (1) и (2).
Боковая поверхность 18 регулирующего хвостовика 13 запорно-регулирующего элемента 8 спрофилирована из условия обеспечения во всем диапазоне изменения площади проходного сечения предлагаемого запорно-регулирующего клапана относительной погрешности регулирования расхода, не превышающей заданную допустимую величину (см.: Гойдо М.Е., Бодров В.В., Багаутдинов P.M. К вопросу проектирования запорно-регулирующих клапанов гидроприводов прессов // Приводная техника. - 2007. - 
2. - С.26-31).
Шток 14 запорно-регулирующего элемента 8 является управляющим (силовым) и соединен (предпочтительно без зазора в осевом направлении) с выходным звеном управляющего привода клапана, например, со штоком гидроцилиндра управления. Если указанное соединение выполнено за пределами корпуса 1 клапана, то диаметр Dшт уплотненного отверстия в крышке 16 равен диаметру штока 14 (см. фиг.1).
На фиг.2 показан один из вариантов соединения штока 14 запорно-регулирующего элемента 8 со штоком 24 гидроцилиндра управления 25.
Шток 24 гидроцилиндра управления 25 выполнен заодно с поршнем указанного гидроцилиндра, является полым, надет на шток 14 запорно-регулирующего элемента 8 клапана до упора в поршень 15 и жестко закреплен на штоке 14. Корпус 26 гидроцилиндра 25 в свою очередь жестко соединен с корпусом 1 клапана. Благодаря тому, шток 24 проходит в надклапанную полость 20 клапана через уплотненное отверстие в крышке 16, уменьшается габаритный размер клапана вместе с гидроцилиндром управления в их общем осевом направлении. В данном случае диаметр D шт уплотненного отверстия в крышке 16 равен диаметру штока 24 гидроцилиндра 25 со стороны надклапанной полости 20.
Запорно-регулирующий клапан работает следующим образом.
При закрытом проходном сечении клапана (при наличии контакта запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4) рабочая жидкость действует на запорно-регулирующий элемент 8 с результирующим усилием Рприж [см. выражение (3)], направленным в сторону седла 4.
Указанное усилие при любом значении давления р в выходном канале 3 клапана из диапазона от нуля до значения давления во входном канале 2 клапана (давления питания рпит) даже при неисправности управляющего привода клапана обеспечивает создание на поверхности контакта запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаски 5 седла 4 напряжений, достаточных для обеспечения герметичного разделения входного 2 и выходного 3 каналов клапана [см. неравенство (1)]. В то же время (в силу ограниченности максимального значения напряжений, обусловленных действием силы Рприж ) даже при создании с помощью управляющего привода клапана дополнительного усилия, прижимающего запорно-регулирующий элемент 8 к седлу 4, величина напряжений на поверхности контакта запорной фаски 11 и уплотнительной фаски 5 не превосходит значение напряжений, допустимое из условия прочности контактирующих поверхностей.
При смещении запорно-регулирующего элемента 8 относительно седла 4 под действием управляющего привода клапана (например, гидроцилиндра 25) на величину, меньшую перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 12 и 6 соответственно запорно-регулирующего элемента 8 и седла 4, давление в пространстве между запорно-регулирующим элементом 8 и седлом 4 на участке, ограниченном указанными цилиндрическими уплотнительными поясками 12 и 6 и входом в зазор между запорной фаской 11 запорно-регулирующего элемента 8 и уплотнительной фаской 5 седла 4, поднимается до величины, равной или близкой к давлению рпит во входном канале клапана (поскольку зазор между цилиндрическими уплотнительными поясками 12 и 6 обладает большим гидравлическим сопротивлением). При этом результирующая сила, действующая со стороны рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 8, уменьшается по величине от значения Рприж , определяемого по формуле (3), до значения Рзакр, определяемого по формуле (8), но при любом значении давления р в выходном канале 3 клапана из диапазона от нуля до значения давления во входном канале 2 клапана (давления питания р пит) остается направленной в сторону седла 4 (то есть в сторону закрытия проходного сечения клапана) и достаточной по величине для преодоления соответствующих сил сопротивления и перемещения запорно-регулирующего в направлении седла до соприкосновении с ним [см. неравенство (2)].
Уменьшение результирующей силы гидростатического давления рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент 8 после отрыва запорной фаски 11 запорно-регулирующего элемента 8 от уплотнительной фаски 5 седла 4 облегчает последующее смещение запорно-регулирующего элемента 8 в направлении открытия проходного сечения клапана и при прочих равных условиях способствует снижению времени, необходимого для открытия проходного сечения.
При смещении запорно-регулирующего элемента 8 относительно седла 4 под действием управляющего привода клапана (например, гидроцилиндра 25) на величину, равную или большую перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 12 и 6 соответственно запорно-регулирующего элемента 8 и седла 4, открывается проходное сечение клапана, которое представляет собой боковую поверхность усеченного конуса, образованную нормалями к боковой профилированной поверхности 18 регулирующего хвостовика 13 запорно-регулирующего элемента 8, проведенными из точек кромки цилиндрического уплотнительного пояска 6 седла 4, ближней к уплотнительной фаске 5 последнего. Поскольку боковая поверхность 18 хвостовика 13 спрофилирована соответствующим образом, то во всем диапазоне изменения площади проходного сечения предлагаемого запорно-регулирующего клапана обеспечивается относительная погрешность регулирования расхода, не превышающая заданную допустимую величину .
Благодаря указанной профилировке боковой поверхности 18 хвостовика 13, обеспечивается плавное расширение канала 19, образованного указанной поверхностью и поверхностью центрального проходного отверстия 7 седла 4, в направлении к выходному каналу 3, что способствует снижению вероятности возникновения при работе клапана кавитации отрывного типа, ведущей к наиболее интенсивному кавитационному износу элементов клапана (см.: Бочаров Ю.А., Денисюк А.К. Совершенствование проточной части клапанных распределителей для гидросистем кузнечно-штамповочных машин ударного действия / Кузнечно-штамповочное производство. - 1974. - 5. - С.31-33).
Так как к началу открытия проходного сечения клапана запорная фаска 11 запорно-регулирующего элемента 8 оказывается смещенной относительно уплотнительной фаски 5 седла 4 на расстояние, равное величине перекрытия цилиндрических уплотняющих поясков 12 и 6, то площадь канала, образованного фасками 11 и 5, после открытия проходного сечения клапана значительно превышает площадь указанного проходного сечения. Благодаря этому, фаски 11 и 5 заведомо располагаются вне зоны кавитационных процессов, возможных в проточной части клапана при его работе, и не подвергаются кавитационному износу, что способствует повышению их долговечности.
В штатных условиях работы клапана изменение положения его запорно-регулирующего элемента 8 происходит в строгом соответствии с изменением положения выходного звена управляющего привода клапана (например, штока 24 гидроцилиндра 25), соединенного со штоком 14 запорно-регулирующего элемента 8.
При нарушении связи между штоком 14 и выходным звеном управляющего привода клапана и смещении указанного звена в направлении уменьшения площади проходного сечения клапана запорно-регулирующий элемент 8 под действием на него со стороны рабочей жидкости силы Р закр [см. выражение (8), неравенство (2)] смещается в направлении своего седла 4 до упора в него или до упора штока 14 в выходное звено управляющего привода (в зависимости от того, в какое положение переместилось это звено).
При растормаживании выходного звена управляющего привода (например, из-за исчезновения питания данного привода) запорно-регулирующий элемент 8 под действием на него со стороны рабочей жидкости силы Рзакр [см. выражение (8), неравенство (2)] смещается в направлении своего седла 4 до упора в него, перемещая вместе с собой выходное звено управляющего привода. В результате, проходное сечение запорно-регулирующего клапана закрывается, что позволяет предотвратить аварийные ситуации, связанные с отказом управляющего привода.
Таким образом, предлагаемый запорно-регулирующий клапан, как и прототип, характеризуется высокими надежностью герметичного закрытия его проходного сечения в нештатных ситуациях (например, при нарушении связи штока запорно-регулирующего элемента с выходным звеном управляющего привода клапана) и точностью регулирования расхода рабочей жидкости во всем диапазоне изменения площади проходного сечения клапана.
Однако, согласно изобретению данный результат достигается при пониженных габаритных размерах запорно-регулирующего элемента клапана (и клапана в целом) в его осевом направлении, благодаря введению в конструкцию запорно-регулирующего элемента жестко соединенного с ним поршня. Отсутствие в конструкции запорно-регулирующего элемента предлагаемого запорно-регулирующего клапана штока, проходящего через центральное отверстие седла, упрощает изготовление запорно-регулирующего элемента (то есть повышает его технологичность), позволяет обеспечить необходимое максимальное проходное сечение клапана при меньшем диаметре седла (что упрощает выполнение притирки запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла), увеличивает межремонтный срок службы клапана (благодаря исключению необходимости замены запорно-регулирующего элемента из-за кавитационного износа штока).
Запорно-регулирующий клапан может быть использован в гидроприводах управления ковочными и штамповочными прессами.
Литературные источники
1. Запорно-регулирующий клапан: Патент РФ 2103583. МКИ F16К 39/02. Заявлено 1996.04.01. Опубликовано 1998.01.27.
2. Запорно-регулирующий клапан. Патент РФ 2334906. МКИ F16К 39/02, F16К 47/02, F15В 13/01. Заявлено 2006.12.26. Опубликовано 2008.09.27.
Запорно-регулирующий клапан, содержащий корпус с присоединительными входным и выходным каналами, в расточке которого выполнено седло с уплотнительной фаской и центральными цилиндрическим уплотняющим пояском, имеющим диаметр, не больший внутреннего диаметра уплотнительной фаски седла, и проходным отверстием и размещен запорно-регулирующий элемент с соосными направляющей цилиндрической частью, буртом с запорной фаской, ответным цилиндрическим уплотняющим пояском, регулирующим хвостовиком и штоком, конец которого через уплотненное отверстие в крышке, герметично закрывающей корпус клапана и расположенной по отношению к запорно-регулирующему элементу со стороны, противоположной его седлу, выходит за пределы корпуса клапана, при этом диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента выполнен меньше диаметра его цилиндрического уплотняющего пояска, а запорно-регулирующий элемент установлен с образованием со стороны его бурта входной полости, соединенной с присоединительным входным каналом клапана, с образованием между поверхностями регулирующего хвостовика запорно-регулирующего элемента и центрального проходного отверстия седла канала, соединенного с присоединительным выходным каналом клапана, и с образованием между поверхностями запорно-регулирующего элемента и крышки надклапанной полости, сообщенной с присоединительным выходным каналом, отличающийся тем, что запорно-регулирующий элемент выполнен с жестко соединенным с ним поршнем, одна из двух полостей, образованных этим поршнем с корпусом и крышкой клапана, является надклапанной, а другая соединена с присоединительным дренажным каналом, при этом эффективная площадь запорно-регулирующего элемента со стороны надклапанной полости имеет значение, большее площади поперечного сечения направляющей части запорно-регулирующего элемента, а диаметры составных частей запорно-регулирующего элемента во всем возможном диапазоне значений давления в выходном канале клапана удовлетворяют следующей системе неравенств:
где Dн - диаметр направляющей цилиндрической части запорно-регулирующего элемента;
Dк.н., Dк.в - соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла;
Dн - диаметр поршня запорно-регулирующего элемента;
Dшт - уплотняемый диаметр отверстия в крышке клапана;
Dп.з - диаметр цилиндрического уплотняющего пояска запорно-регулирующего элемента;
Рпит - постоянное давление (давления питания) во входном канале клапана;
р - давление в выходном канале клапана (0ррпит);
min, mах - значения соответственно минимального (из условия обеспечения герметичности) и максимального (из условия прочности) допустимых напряжений на поверхности контакта запорной фаски запорно-регулирующего элемента и уплотнительной фаски седла (min>Pпит);
R - усилие, которое необходимо приложить к запорно-регулирующему элементу для перемещения его в направлении седла до соприкосновении с ним из положения, при котором проходное сечение клапана открыто.
