Шаровой кран

 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в качестве запорной или регулирующей арматуры для жидких рабочих сред, содержащих твердые частицы. Шаровой кран содержит корпус, сферический поворотный запорный орган, седла с уплотнительными пластмассовыми кольцами. Седла установлены во входном и выходном патрубках. Каждое седло содержит два металлических пружинящих уса. Последние расположены со стороны сферического поворотного запорного органа и выполнены за одно целое с седлом с возможностью предотвращения заклинивания сферического поворотного запорного органа. Угол α образован наружной поверхностью уса и плоскостью, проходящей через радиус в точку контакта уса и сферического поворотного запорного органа. Этот угол выбирается из условия: tgα > K_тр, где К_тр - коэффициент трения скольжения твердых частиц о поверхность уса. Уплотнительные пластмассовые кольца седел перед сборкой выступают над уровнем сферической поверхности седел, проходящей через точку контакта уса и сферического поворотного запорного органа, на величину деформации δ, необходимую для обеспечения герметичности крана. Изобретение позволяет повысить срок службы крана за счет очистки поверхности сферического поворотного запорного органа и упростить технологию изготовления крана. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности арматуростроению, и может быть использовано в качестве запорной или регулирующей арматуры для жидких рабочих сред, содержащих твердые частицы.

Известные шаровые краны (А. с. СССР 525823, 1564446, МКИ F 16 К 5/06) при работе в жидких рабочих средах, содержащих твердые частицы, частично теряют свои функции, из-за того, что уплотнительные кольца контактируют с шаром по узкому пояску и при повороте шара, из-за наличия в среде твердых частиц, на этих поясках возникают сквозные царапины, риски. Через эти царапины просачивается среда, которая за счет эрозионного воздействия расширяет канал до таких размеров, что уплотнение теряет свои функции, нарушается герметичность крана.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является шаровой кран (А. с. СССР 987244, МКИ F 16 К 5/06), в корпусе которого размещен сферический поворотный запорный орган, взаимодействующий с уплотнительными пластмассовыми кольцами седел, установленных во входном и выходном патрубках. По окружности колец выполнена сеть отверстий, размещенных в шахматном порядке и заполненных вязким веществом.

Недостатком известной конструкции является малый срок службы вследствие того, что твердые частицы, протягивающиеся шаром до первого встречающегося на их пути отверстия в седле, царапают уплотнительную поверхность седла и кран теряет герметичность в затворе, а в полуоткрытом состоянии сферического поворотного запорного органа частицы внедряются на скорости в вязкое вещество ловителей седла и без срабатывания крана, что при больших концентрациях частиц разрушает уплотнительную поверхность седла. Кроме того, седла данной конструкции имеют большую трудоемкость изготовления из-за наличия множества отверстий.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение срока службы крана, работающего в жидких рабочих средах, содержащих твердые частицы, и упрощение технологии его изготовления.

Указанная задача решается за счет того, что в шаровом кране, содержащем корпус, сферический поворотный запорный орган, седла с уплотнительными пластмассовыми кольцами, установленные во входном и выходном патрубках, каждое седло содержит два металлических пружинящих уса, которые расположены со стороны сферического поворотного запорного органа и выполнены за одно целое с седлом, с возможностью предотвращения заклинивания сферического поворотного запорного органа, а угол α, образованный наружной поверхностью уса и плоскостью, проходящей через радиус в точку контакта уса и сферического поворотного запорного органа, выбирается из условия: tgα>K_TР, где К_тр - коэффициент трения скольжения твердых частиц о материал уса, причем уплотнительное пластмассовое кольцо седла перед сборкой выступает над уровнем сферической поверхности седла, проходящей через точку контакта уса и сферического поворотного запорного органа, на величину деформации δ, необходимую для герметизации крана.

На фиг. 1 изображен шаровой кран.

На фиг. 2 - узел I шарового крана.

На фиг. 3 - влияние угла α на прохождение твердых частиц.

Шаровой кран содержит входной 1 и выходной 2 патрубки, в которых размещены седла 3 с уплотнительными пластмассовыми кольцами 4, взаимодействующими с сферическим поворотным запорным органом 5. Седло 3 имеет усы 6, обладающие пружинящим свойством и плотно прилегающие к поверхности сферического поворотного запорного органа 5. Причем угол α, образованный наружной поверхностью уса и плоскостью, проходящей через радиус R в точку контакта уса и сферического поворотного запорного органа, больше угла трения твердых частиц по седлу. Уплотнительные пластмассовые кольца 4 перед сборкой выступают над уровнем (по сферической поверхности) точки контакта уса и сферического поворотного запорного органа на величину деформации δ, необходимую для обеспечения герметичности крана.

Величина деформации, необходимая для герметизации затвора крана определяется экспериментальным путем в зависимости от величины условного прохода, давления, при котором работает кран, и марки материала уплотнительного кольца. К примеру, для крана условного прохода 100 мм, на рабочее давление 2,5 МПа (25 кгс/см²) и уплотнительных колец из фторопласта 4 экспериментально получено, что величина деформации δ ==0,4^+0,25 мм. Величина деформации 0,4 мм является минимально необходимой для герметизации затвора крана, а с 0,65 мм усилие управления крана начинает резко расти и экономически нецелесообразно. Таким образом, для вышеприведенного изделия величина деформации определена δ ==0,4^+0,25 мм.

Чтобы не происходило зажима сферического поворотного запорного органа при контакте с усом, кромка уса выполнена тонкой для придания усу пружинящего свойства.

Кромки усов при повороте сферического поворотного запорного органа снимают с его поверхности попавшие твердые частицы, которые уносятся проходящим потоком.

Шаровой кран работает следующим образом.

При открытии или закрытии крана, при прохождении среды, содержащей твердые частицы, через сферический поворотный запорный орган твердые частицы не скапливаются уже в зоне пластмассового кольца, как это было в известном решении прототипа, откуда они могут быть легко затянуты в зону контакта шар - уплотнительное пластмассовое кольцо, а отводятся острой кромкой уса, плотно прилегающей к сферическому поворотному запорному органу по наружной боковой поверхности уса.

На фиг. 3 показано влияние угла α на достижение положительного эффекта, где: Q - сила с которой действует частица на ус седла; N - реакция (опоры) плоскости уса от силы Q, направлена перпендикулярно поверхности уса; F - составляющая силы Q, параллельна поверхности уса; В - точка контакта уса с сферическим поворотным запорным органом.

При всех возможных направлениях движения твердых частиц в турбулентном потоке самыми опасными, с точки зрения вероятности попадания в зону контакта сферического поворотного запорного органа и пластмассового седла, являются твердые частицы, двигающиеся по направлению вектора Q к точке В.

Рассмотрим силы, действующие на частицу, попавшую в точку В.

Частица под действием силы F сможет отойти от точки В в том случае, если ее величина будет больше силы трения скольжения частицы по седлу (F_тр.ск): F > F_тp.ск (1) Из треугольника сил CEG имеем:
F = Q•sin(α) (2)
F_тр.ск = N • К_тр.ск,
но
N = Q•cos(α),
тогда
F_TР.СК. = Q•cos(α)•K_TР.СК. (3)
где: K_тр.ск - коэффициент трения скольжения твердых частиц по поверхности уса;
α - угол, образованный наружной поверхностью уса и плоскостью, проходящей через радиус R в точку В.

Из формулы (1) с учетом (2) и (3) имеем:
Q•sin(α) = Q•cos(α)•K_TР.СК.
или при умножении обеих частей неравенства на общий множитель 1/cos(α) имеем
tg(α)>K_TР.СК. (4)
При выполнении данного неравенства мы имеем наиболее благоприятные условия для отвода твердых частиц из зоны контакта шар - уплотнительное пластмассовое кольцо.

В результате при эксплуатации шарового крана предлагаемой конструкции в среде, содержащей твердые частицы, пластмассовое кольцо не царапается, герметичность затвора не нарушается, а это увеличивает срок службы крана в целом.

Кроме того, при изготовлении шарового крана по предлагаемому изобретению не требуется изготовления множества отверстий в уплотнительных пластмассовых кольцах, что значительно проще в изготовлении.

Формула изобретения

Шаровой кран, содержащий корпус, сферический поворотный запорный орган, седла с уплотнительными пластмассовыми кольцами, установленные во входном и выходном патрубках отличающийся тем, что каждое седло содержит два металлических пружинящих уса, которые расположены со стороны сферического поворотного запорного органа и выполнены за одно целое с седлом с возможностью предотвращения заклинивания сферического поворотного запорного органа, а угол α, образованный наружной поверхностью уса и плоскостью, проходящей через радиус в точку контакта уса и сферического поворотного запорного органа, выбирается из условия
tgα > K_тр,
где К_тр - коэффициент трения скольжения твердых частиц о материал уса, причем уплотнительные пластмассовые кольца седел перед сборкой выступают над уровнем сферической поверхности седел, проходящей через точку контакта уса и сферического поворотного запорного органа, на величину деформации δ, необходимую для герметизации крана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3