Предохранительный клапан однократного действия

 

Использование: в област машиностроения, в частности для предотвращения недопустимо большого перепада давления в аварийной ситуации, может быть использовано в военной технике. Сущность изобретения: в корпусе предохранительного клапана однократного действия проходное отверстие перекрыто поршнем. На поршне консольно закреплены опорные элементы, выполненные в виде стержней. Стержни расположены вдоль оси проходного отверстия и имеют на конце скошенный выступ, упирающийся в корпус. При достижении заданного избыточного давления опорные элементы теряют несущую способность. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к предохранительным клапанам однократного действия, служащим для предотвращения недопустимо большого перепада давления в аварийной ситуации, и может быть использовано в военной технике.

Известны предохранительные клапаны самых различных конструкций с применением упругих элементов пружин (см. [1]). Упругие элементы позволяют с большой точностью регулировать давление срабатывания клапана. Однако изготовление точных пружин является достаточно сложной технологической задачей.

В качестве альтернативного варианта для уменьшения разброса значений давления срабатывания возможно введение дополнительных регулирующих поджатие пружины элементов. Но это усложняет конструкцию и требует увеличения ее габаритов.

Известны конструкции предохранительных клапанов, например [2] с применением разрушающихся элементов в виде прорывных мембран. Здесь снята избыточность конструктивного решения по, отношению к задаче взят элемент разового использования, более простой в изготовлении по сравнению с упругим элементом. Конструкция клапана предельно проста и относительно мала по габаритам. Однако по сравнению с упругими элементами разрушающиеся опорные элементы обладают существенно большим разбросом предельного усилия, соответственно велик разброс давления срабатывания клапана.

В качестве примера можно привести данные по пластине толщиной 3 мм, изготовленной из литейного алюминиевого сплава АЛ9, пластина имеет проточку до толщины 0,6 мм между диаметрами 50 и 70 мм, за диаметром 70 мм пластина жестко заделана. Расчет данной пластины на воздействие избыточного давления показывает, что при работе пластины на изгиб проточки вплоть до разрушения, что характерно для абсолютно хрупкого материала, давление разрушения не превысит 0,16 МПа (1,6 атм); при работе пластины на растяжение проточки как мембраны вплоть до потери несущей способности, что характерно для абсолютно пластичного материала, давление разрушения составит более 2,4 МПа (24 атм). Данная пластина была применена в конструкции предохранительного клапана, по результатам испытаний клапанов трех партий общим количеством 30 штук давление срабатывания составило от 0,25 до 1,8 МПа (2,5-18 атм), что во многих случаях недопустимо много. Такой разброс давления объясняется тем, что в случае разрушающегося предельного элемента давление разрушения зависит не только и не столько от разброса предельных механических характеристик материала предела текучести и предела прочности сколько от разброса плохо нормируемых пластических свойств материала.

Известен клапан с разрывным предохранителем [3] Запираемый обратный клапан, в частности, для автоклавов, имеет корпус и затвор со сквозным каналом, закрываемым разрывным элементом, вмонтированным в затвор.

Пластически деформируемые элементы занимают промежуточное положение между упругими элементами и разрушающимися элементами по степени регулируемости, стабильности предельного усилия и, тем самым, давления срабатывания. Разброс предельного усилия в основном зависит от предела текучести материала, который колеблется в сравнительно небольших пределах.

Наиболее близким и принятым авторами в качестве прототипа является устройство [4] Устройство для разгрузки избыточного давления, отличающееся тем, что разрушаемый узел выполнен в виде набора контактирующих одна с другой своими торцами разрезных пружинных шайб, имеющих неравные внутренние диаметры, а средство регулирования давления срабатывания выполнено в виде штока, на поверхности которого выполнен винтовой паз, при этом пружинные шайбы с меньшим внутренним диаметром входят в винтовой паз штока.

Недостатком прототипа является большая сложность конструкции, наличие множества деталей.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции предохранительного клапана.

Это достигается тем, что в предохранительном клапане однократного действия, содержащем корпус с проходным отверстием, перекрываемым поршнем с уплотнением, опорные элементы, выполненные в виде стержней, консольно закрепленных, например, на поршне, расположены вдоль оси проходного отверстия, и имеют скошенный выступ на конце, упирающийся в корпус.

В идеале предохранительный клапан должен иметь пороговую характеристику смещение поршня избыточное давление, когда до достижения заданного давления деформаций опорного элемента не происходит и поршень не смещается, а по достижении заданного давления поршень освобождается. Предлагаемая конструкция обеспечивает пороговую характеристику смещение поршня избыточное давление.

Для этого в предлагаемой конструкции физическая нелинейность в виде упрочнения материала опорного элемента при деформации компенсируется геометрической нелинейностью разупрочнением за счет увеличения эффективного плеча изгибающей силы на конце консоли в процессе деформирования. За счет этого достигается возможность потери несущей способности по достижении заданного избыточного давления.

Сущность изобретения поясняется фигурами, дальнейшим описанием и приведенным расчетом. На фиг. 1 представлен общий вид предохранительного клапана. На фиг. 2 дана схема к расчету опорного элемента клапана. На фиг. 3 приведены зависимости от прогиба W безразмерных усилий Q^о/Q_о (без учета разупрочнения), Q/Q_о (с учетом разупрочнения) и функции K(W) геометрического разупрочнения.

Предохранительный клапан однократного действия (см. фиг. 1) содержит: l корпус, 2 поршень, 3 уплотнение поршня, 4 опорный элемент, 5 скошенный выступ на конце опорного элемента, 6 проходное отверстие в корпусе 1 для пропуска воды.

Предохранительный клапан собран в корпусе 1, проходное сечение которого перекрыто поршнем 2 с уплотнением 3. Поршень удерживается в корпусе опорным элементом 4 в виде консольного стержня, на конце которого имеется скошенный выступ 5, упирающийся в корпус.

При действии внешнего избыточного давления сила давления передается на опорные элементы 4. Они уравновешивают силу давления вплоть до потери несущей способности, которая наступает при образовании в заделках опорных элементов 4 "пластических шарниров". По превышении предела несущей способности опорные элементы 4 прогибаются и освобождают поршень 2, который выбивается силой давления и внешняя среда (вода, например) начинает поступать во внутренний объем изделия через отверстие 6 в корпусе 1, перепад давления снимается.

Существенным является то обстоятельство, что при смещении поршня 2 одновременно смещается точка приложения контактного усилия на скошенном выступе 5 конца консоли и меняется угол между вектором силы и осью опорного элемента в его исходном состоянии, причем так, что эффективное плечо действия силы увеличивается, чем компенсируется возрастание усилия в результате деформационного упрочнения при пластическом изгибе.

Приведенный далее расчет поясняет данное положение.

Рассматриваем опорный элемент прямоугольного поперечного сечения высотой 2H и шириной B. В соответствии с фиг. 2 имеем для изгибающего момента: M(x) Q [L+W/tg(A)]+T[H-y] где L длина консоли = _o-A угол наклона скошенного выступа на конце концов, _o начальное значение угла в недеформированном состоянии, A угол наклона конца консоли, T = tg()Q продольная составляющая контактного усилия.

Аппроксимируем связь между напряжением и пластической деформацией степенной функцией = _oⁿ, где _o и n параметры, (см. например, Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести, М. Машиностроение, 1975). Принимая гипотезу плоских сечений, имеем = () = , где расстояние от нейтральной линии в сечении. k кривизна изогнутой оси балки. Принимаем k = y Для определения изгибающего момента проводим интегрирование по площади F сечения.

В итоге зависимость изгибающего момента от кривизны имеет вид: M = [H]ⁿM_o, где введено обозначение M_o= 2/(2+n)_oBH². При пластическом изгибе деформации сосредоточены в узкой зоне пластического шарнира, где поперечные смещения y пренебрежимо малы, поэтому в выражении для изгибающего момента можно отбросить слагаемое (-Ty) и в результате уравнение изгиба принимает вид y''=1/H[Q/M_о]^1/n[L₃-x]^1/n, OxL,
где
L_э= L+1/tg()W+tg()H (1)
эффективное плечо действия силы Q.

После интегрирования полученного дифференциального уравнения по длине консоли находим угол поворота A=y'(L) и прогиб W=y(L)

Выражения (1)-(3) образуют замкнутую систему из трех нелинейных алгебраических уравнений относительно четырех неизвестных A, L₃, Q; при заданном W они могут быть решены численно. Тем самым определена искомая зависимость Q(W). Однако для получения наглядных аналитических результатов целесообразно провести некоторые преобразования. При этом будем пренебрегать слагаемыми порядка малости (H/L)² и более высоких степеней по сравнению с единицей, поскольку для балки H<L. Получаем:

Введя некоторую произвольную постоянную L₀ размерности длины, полученное выражение для W можно записать в виде

или
Q(W) K(W)Q^о(W), (4)
где
Q^о/Q_о=(W/W_о)ⁿ (5)
K(W) [(1+n)/(1+2n)][L/L₃-n/(1+2n)]^-n(L_О /L₃)^1-2n
Параметр L_Оудобно выбрать из условия K(O) 1, что дает значение

где введено обозначение L^o_э = L+tg(_o)H для начального значения эффективного плеча L₃.

Для получения обозримых результатов полезно линеаризовать функцию K(W). Поскольку в выражении (1) второе и третье слагаемые имеют порядок малости H/L по сравнению с первым и поскольку tg() = tg(_o-) tg(_o)-/cos²(), причем угол имеет порядок H/L, то в данном выражении можно пренебречь изменению угла g и считать g = _o, в связи с чем запишем выражение для эффективного плеча L₃ в виде
L_э= L^o_э[1+1/tg(_o)W/L^o_э].
При линеаризации функции K(W) последовательно используем для малых величин с порядка малости H/L аппроксимации вида
1/(1+c) 1-c, (1+c)^m 1+mc,
дающие погрешности порядка c₂ (H/L)². Опуская промежуточные выкладки, приведем окончательный результат.

K(W) 1-n/(1+n)W/W_m, (6)
где введено обозначение W_m= n/[(1+n)(1+2n)²]tg(_o)L^o_э.
Теперь с использованием полученной аппроксимации легко показать, что зависимость (4) для Q(W) имеет экстремум. Для дифференциала имеем dQ= dKQ^о+KdQ^о, что после подстановки зависимостей (5) и (6) принимает вид
dQ Q^O[1-W/W_m]ndW/W.

Из данного выражения следует, что dQ=0 при W=W_m, кроме того, в этой точке вторая производная d²Q/dW²<0, т.е. здесь достигается максимум зависимости Q(W).

Усилие Q_m при срабатывании опорного элемента определяется по формуле (4) для W=W_m:
Q_m= K(W)_m(W_m/W_o)ⁿQ_o.

Действию силы давления противодействуют продольное усилие T, пропорциональное поперечному усилию Q, таким образом давление срабатывания клапана может быть рассчитано по продольному усилию
T_m= tg(_o-_m)Q_m,
где угол _m/ в момент потери устойчивости
_m= W_m/[L-n/(1+2n)L^o_э,
здесь по малости второго слагаемого в квадратных скобах принято приближение L_э= L^o_э.
На фиг. 3 показаны рассчитанные по полученным формулам зависимости для случая опорного элемента с параметрами n=0,035 (сталь 30ХГСА), H/L=0,2, _o= 45. Характеристика Q^o(W) опорного элемента в предлагаемой конструкции существенно приближена к идеальной пороговой характеристике по сравнению с характеристикой Q_o(W) элемента без геометрического разупрочнения. Следовательно, характеристика опорного элемента в предлагаемой конструкции клапана действительно есть производное обоих факторов, и физическая нелинейность в виде упрочнения ПДЭ при пластической деформации компенсируется геометрической нелинейностью разупрочнением за счет увеличения плеча изгибающей силы на конце консоли в процессе деформирования.

Погрешности расчетной схемы и отступления от расчетной схемы в конкретных конструктивных решениях могут несколько изменить численные значения результатов, но основной вывод о существенной оптимизации характеристики опорного элемента в предлагаемой конструкции остается в силе.

Формула изобретения

Предохранительный клапан однократного действия, содержащий корпус с проходным отверстием, перекрываемым поршнем, снабженным уплотнением, и опорные элементы, отличающийся тем, что опорные элементы выполнены в виде консольно закрепленных, например, на поршне стержней со скошенным выступом на конце, упирающимся в корпус, расположенный вдоль оси проходного отверстия с возможностью потери несущей способности по достижении заданного избыточного давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3