Электромагнитный клапан

 

Использование: в арматуростроении. Сущность изобретения: электромагнитный клапан содержит корпус с седлом, перекрываемым запорным органом. Клапан включает электромагнитный привод с магнитопроводом, имеющим нижний и верхний фланцы, сердечником, выполненным с полостью для рабочей среды, и трехзвенной герметизирующей разделительной трубкой, третье звено выполнено из ферромагнитного материала, расположено под звеном из маломагнитного материала и напротив нижнего фланца магнитопровода. Между корпусом и третьим звеном трубки установлена обечайка. Внутри обечайки жестко закреплен сильфон, установленный по оси клапана. Площадь седла по средней линии равна эффективной площади сильфона. В верхней и нижней части сильфон снабжен наружным соединительным кольцом и внутренней соединительной втулкой. Во втулке верхней части сильфона установлен фильтрующий элемент. Во втулку нижней части введен шток, выполненный со сферической поверхностью. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, более узко к арматуре, устанавливаемой на различных магистралях, трубопроводах и других коммуникациях, а еще более конкретно к электромагнитным клапанам.

Изобретение может найти применение в самых широких областях техники, например, в энергетике, химической, газовой, пищевой промышленности и т.д.

Известны электромагнитные клапаны, содержащие корпус с седлом, перекрываемым основным запорным органом с разгрузочным и центральным отверстием, над которым размещен перекрывающий разгрузочное отверстие вспомогательный запорный орган, совмещенный с якорем электромагнитного привода, причем между катушкой и якорем установлена диамагнитная втулка, а разгрузочное отверстие выполнено в трубке сброса среды, проходящей через центральное отверстие основного запорного органа /1/.

Этот клапан достаточно надежен в эксплуатации, но не лишен некоторых конструктивных сложностей и к тому же не может обеспечить разгрузку запорного органа от одностороннего действия рабочей среды вследствие того, что подать под клапан рабочую среду невозможно.

Известен также электромагнитный клапан, содержащий корпус с седлом, перекрываемым запорным органом, имеющим неметаллическое кольцевое уплотнение, а также электромагнитный привод с магнитопроводом, имеющий нижний и верхний фланцы, с герметизирующей разделительной трубкой, с сердечником с полостью для рабочей среды и шток, соединенный с рабочим органом, а также возвратную пружину, причем герметизирующая разделительная трубка выполнена со звеном из ферромагнитного материала и с расположенным под ним звеном из маломагнитного материала. Шток установлен в направляющей втулке с уплотнительным кольцом, которое установлено в полости магнитопровода со стороны запорного органа с возможностью перемещения по оси штока /2/.

Однако и данный клапан не может обеспечить разгрузку запорного органа от одностороннего действия рабочей среды.

Задача данного изобретения создание электромагнитного клапана, несложного по конструкции и надежного в эксплуатации, который обеспечил бы работу в широком диапазоне давлений рабочей среды при отсутствии перепада давлений на запорном органе.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, - обеспечение разгрузки запорного органа от одностороннего действия рабочей среды с одновременным повышением эксплуатационной надежности.

Данный технический результат достигается следующей совокупностью существенных признаков: в электромагнитном клапане, содержащем корпус с седлом, перекрываемым запорным органом, имеющим неметаллическое кольцевое уплотнение, а также электромагнитный привод с магнитопроводом, имеющим нижний и верхний фланец, с герметизирующей разделительной трубкой и с сердечником, имеющим полость для рабочей среды и шток, соединенный с рабочим органом, а также возвратную пружину, причем герметизирующая разделительная трубка состоит из звена, выполненного из ферромагнитного материала и расположенного под ним звена из маломагнитного материала; герметизирующая разделительная трубка снабжена третьим звеном, выполненным из ферромагнитного материала и расположенным под ним звеном, выполненным из маломагнитного материала и напротив нижнего фланца магнитопровода, а клапан снабжен обечайкой, установленной между корпусом и третьим звеном герметизирующей разделительной трубки, а также сильфоном, установленным по оси клапана и жестко закрепленным внутри указанной обечайки, причем площадь седла по средней линии равна эффективной площади сильфона, последний в верхней части снабжен наружным соединительным кольцом и внутренней соединительной втулкой, в которой установлен фильтрующий элемент, и в нижней части также снабжен наружным соединительным кольцом и внутренней соединительной втулкой, при этом шток в нижней части выполнен со сферической поверхностью, размещенной в указанной втулке.

В частных случаях тот же технический результат, но в большей степени, достигается тем, что в клапане, характеризуемом вышеперечисленной совокупностью существенных признаков: а) седло клапана выполнено с кольцевым выступом треугольного сечения с симметричным профилем со скруглением при вершине, при этом неметаллическое уплотнение запорного органа выполнено резиновым при удовлетворении следующего соотношения: где h_b высота кольцевого выступа седла, b_y толщина неметаллического уплотнения, α угол при вершине треугольного сечения выступа, r радиус скругления выступа; б) сильфон по высоте выполнен с двумя участками разной толщины с верхним участком толщиной 0,15-0,25 мм и с нижним участком толщиной 0,1-0,125 мм; в) участки сильфона имеют равную эффективную площадь.

На фиг. 1 схематически показан электромагнитный клапан; на фиг.2 схематически изображена трехзвеннная герметизирующая разделительная трубка; на фиг.3 изображено седло с запорным органом в увеличенном масштабе.

К корпусу 1 с седлом 2 (см. фиг.1) крепится обечайка 3, в которой установлен сильфон 4. Этот сильфон может быть выполнен целиковым (чертежом этот вариант не иллюстрируется). В частном случае сильфон 4 имеет 2 участка: верхний 5 и нижний 6, которые соединены кольцами 7. Сильфон 4 в верхней части имеет наружное соединительное кольцо 8 и внутреннюю соединительную втулку 9, в которой размещены фильтрующий элемент 10, нажимная гайка 11 и контровочная пружина 12. Сильфон 4 в нижней части снабжен наружным соединительным кольцом 13 и внутренней соединительной втулкой 14, в которой размещен шток 15 и к которой при помощи винтов 16 крепится запорный орган 17, имеющий неметаллическое уплотнение 18, изготовленное из резинотехнических или полимерных материалов, и отверстие 19 для прохождения рабочей среды. Шток 15 посредством резьбы и контровочной гайки 20 соединен с сердечником 21, который имеет полость 22 для прохождения рабочей среды и возвратную пружину 23.

К обечайке 3 посредством накидной гайки 24 крепится электромагнитный привод, имеющий магнитопровод 25, нижний 6 и верхний 27 фланцы, катушку 28, трехзвенную герметизирующую разделительную трубку 29. Герметичность по отношению к окружающей среде осуществляется при помощи резинового кольца 30.

В нижней части корпуса 1 расположен ручной дублер, состоящий из втулки 31, имеющей неметаллические уплотнения 32 и 33, втулки 34, пропитанного смазкой элемента 35, накидных гаек 36 и 37, ходового винта 38, имеющего шток 39, штифт 40, шток 41 и маховик 42.

Трехзвенная герметизирующая разделительная трубка 29 (см. фиг.2), состоящая из верхнего звена (стоп) 43, изготовленного из ферромагнитного материала с низким значением коэрцитиавной силы в пределах 64-256 А/м; среднего звена 44, изготовленного из маломагнитного материала; нижнего звена 45, изготовленного из материала, аналогичного материалу верхнего звена 43.

Седло 2 клапана выполнено с кольцевым выступом 46 (см. фиг.3) треугольного сечения с углом α=60° при вершине, симметричного профиля со скруглением 47. Радиус скругления лежит в пределах от 0,2 до 0,3 мм. При этом выполнение седла и запорного органа характеризуется соотношением
Как показали многочисленные ресурсные испытания, пределы, определенные этим соотношением, создают высокую степень герметичности. При выходе за пределы данного соотношения степень герметичности снижалась. При значительных нарушениях степени герметичности технический результат, обусловливаемый изобретением, может быть не достигнут.

Форма седла и высота неметаллического уплотнения позволяют при минимальном значении удельного давления на уплотнитель получить высокий показатель герметичности и наработать не менее 100000 циклов, не ухудшая его.

Участки 5,6 сильфона могут быть выполнены разной толщины: верхний толщиной 0,15-0,25 мм, нижний толщиной 0,1-0,125 мм. Шток 15 в нижней части 48 выполнен со сферической поверхностью, которая и размещена во внутренней соединительной втулке 14.

Клапан работает следующим образом.

1) При подаче рабочей среды с давлением Р на запорный орган 17 по стрелке А (при этом электромагнитный привод обесточен) он с усилием F_cР прижимается к седлу 2. Вследствие равенства площади седла 2 по средней линии F_c с эффективной площадью сильфона F_эф такое же усилие F_эфР отжимает запорный орган 17 от седла 2.

Здесь F_c площадь седла 2 по средней линии,
F_эф эффективная площадь сильфона,
P давление рабочей среды.

Таким образом происходит приблизительная разгрузка запорного органа 17 от одностороннего действия рабочей среды с давлением Р.

Та часть давления Р, которая оказывается неуравновешенной из-за разницы допусков среднего диаметра седла 2 и отклонений размеров сильфона 4, компенсируется усилием возвратной пружины 22, которая создает необходимое усилие для уплотнения седла 2.

Для уменьшения влияния погрешностей изготовления и разбежки по допускам размеров, которые могут повлиять на герметичность в седле 2, шток 15 в своей нижней части выполнен со сферической радиальной поверхностью. Эта поверхность обеспечивает самоустановку запорного органа 17 на седле 2, а также обеспечивает ему осевое направление.

Открытие электромагнитного клапана: при подаче напряжения на катушку 28 сердечник 21 начинает поступательное перемещение. Вследствие жесткой связки сердечника 21 со штоком 15 это перемещение через шток передается на запорный орган 17, проход открывается для истечения рабочей среды по стрелке А. При этом преодолевается полностью жесткость возвратной пружины 23 и сильфона 4.

Если сильфон выполнен с участками разной толщины, что уменьшает влияние жесткости сильфона на тяговую характеристику электромагнитного привода и позволяет проходить большую часть хода электромагнитного привода, сжимая участок с меньшей толщиной, работа сильфона осуществляется следующим образом. В момент, когда для совершения полного открытия остается минимальное значение, т. е. привод имеет максимальное значение тягового усилия, электромагнитный привод начинает сжимать более толстый сильфон (с большей жесткостью).

Тяговое усилие электромагнитного привода также повышено за счет введения в трехзвенную герметизирующую разделительную трубку 29 среднего звена 44, изготовленного из маломагнитного материала. Введение среднего звена 44 позволяет прервать магнитный поток и исключить потери магнитного потока по трехзвенной герметизирующей разделительной трубке 29.

Для повышения надежности электромагнитного клапана в конструкцию введен фильтрующий элемент 10, который не позволяет твердым механическим включениям попадать в трехзвенную герметизирующую разделительную трубку 29, в котором перемещается сердечник 21.

Закрытие электромагнитного клапана: при отключении напряжения сердечник 21 совместно со штоком 15 и запорным органом 17 под действием возвратной пружины 23 и сильфона 4 опускается на седло 2 и перекрывает проход для истечения рабочей среды по стрелке А.

2) При подаче рабочей среды с давлением Р под запорный орган 17 по стрелке Б (при этом электромагнитный привод обесточен) он с усилием D_cP отжимается от седла 2. В то же время рабочая среда через отверстие 19 в запорном органе 17 попадает во внутреннюю полость сильфона 4 и воздействует на эффективную площадь сильфона 4, и с усилием F_эфР прижимает запорный орган 17 к седлу 2. Вследствие равенства площади седла 2 по средней линии F_c с эффективной площадью сильфона эти усилия выравниваются.

Таким образом, происходит приблизительная разгрузка запорного органа 17 от одностороннего действия среды с давлением Р.

Та часть давления Р, которая оказывается неуравновешенной из-за разницы допусков среднего диаметра седла 2 и отклонений размеров сильфона 4, компенсируется усилием возвратной пружины 22, которая создает необходимое усилие для уплотнения седла 2.

Открытие и закрытие электромагнитного клапана при подаче и снятии напряжения, соответственно, происходит аналогично описанному выше.

При необходимости открыть электромагнитный клапан вручную вращают маховик 42, и через ходовой винт 38 усилие передается на шток 39, который, двигаясь поступательно, отжимает запорный орган 17 от седла 2.4

Формула изобретения

1. Электромагнитный клапан, содержащий корпус с седлом, перекрываемым запорным органом, имеющим неметаллическое уплотнение, электромагнитный привод с магнитопроводом, имеющим нижний и верхний фланцы, с герметизирующей разделительной трубкой и с сердечником, имеющим полость для рабочей среды и шток, соединенный с рабочим органом, а также возвратную пружину, причем герметизирующая разделительная трубка состоит из звена, выполненного из ферромагнитного материала и расположенного под ним звена, выполненного из маломагнитного материала, отличающийся тем, что герметизирующая разделительная трубка снабжена третьим звеном, выполненным из ферромагнитного материала, расположенным под звеном, выполненным из маломагнитного материала и напротив нижнего фланца магнитопровода, а клапан снабжен обечайкой, установленной между корпусом и третьим звеном герметизирующей разделительной трубки, а также сильфоном, установленным по оси клапана и жестко закрепленным внутри обечайки, причем площадь седла по средней линии равна эффективной площади сильфона, последний в верхней части снабжен наружным соединительным кольцом и внутренней соединительной втулкой, в которой установлен фильтрующий элемент, и в нижней части также снабжен наружным соединительным кольцом и внутренней соединительной втулкой, при этом шток в нижней части выполнен со сферической поверхностью, размещенной в указанной втулке.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что седло клапана выполнено с кольцевым выступом треугольного сечения с симметричным профилем со скруглением при вершине, при этом неметаллическое уплотнение запорного органа выполнено из резины при удовлетворении следующего соотношения:

при α = 60°, r 0,2 0,3 мм,
где h_в высота кольцевого выступа;
b_у толщина неметаллического уплотнения;
α угол при вершине треугольного сечения выступа;
r радиус скругления выступа.

3. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что сильфон по высоте выполнен с двумя участками разной толщины с верхним участком толщиной 0,15 0,25 мм и с нижним участком толщиной 0,1 0,125 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3