Запорная заслонка и способ её изготовления (варианты)

 

Группа изобретений относится к арматуростроению, в частности к запорной заслонке для герметичного перекрытия потока среды, протекающего в обоих направлениях, и к способам изготовления элементов запорной заслонки. Запорная заслонка (10) для полостей под давлением, в частности для резервуаров или трубопроводов, содержит установленный в корпусе (12, 37) с возможностью поворота относительно оси вращения (13, 46) диск (11, 32) заслонки. Диск (11, 32) в уплотняющем положении способен перекрывать протекание текучей среды через корпус (12, 37) в двух противоположных друг к другу направлениях потока в зоне уплотнения. Диск (32) заслонки установлен эксцентрично, т.е. с осью (46) вращения за пределами средней линии (39) уплотнения. В частности, ось вращения проходит через главную ось запорной заслонки. Уплотнение содержит огибающую уплотнительную поверхность DF, которая является частью боковой поверхности конуса. Образующие (K₁, K₂) боковой поверхности определяют угол уплотнительной поверхности DF относительно главной оси (17, 38) запорной заслонки. Образующие пересекают друг друга в зоне вершины (S₁) конуса. Средняя линия (39) уплотнения пересекает главную ось (38) перпендикулярно ей. Ось вращения расположена на расстоянии от средней линии (39) уплотнения, в частности на главной оси (38), и проходит поперек средней линии уплотнения и главной оси. С осью вращения в качестве центра (46) установлена уплотнительная окружность (55). Диаметр этой окружности (55) меньше номинального диаметра DN трубопровода или внутреннего диаметра внутри запорной заслонки (31). Средняя линия (39) уплотнения пересекает уплотнительную окружность (55) в двух точках (А, С) пересечения. Прямая через точку (А) пересечения и центр (46) вращения пересекает уплотнительную окружность (55) в точке (В) пересечения. Точка (В) пересечения располагается противоположно точке (А) через центр (46) вращения. Касательная (T₁) к уплотнительной окружности (55) в точке (А) и прямая через точки (В, С) пересекаются в точке S₀ . Положение вершины (S₁) конуса определяется либо смещением отрезка (А-В) вдоль касательной (T₁), пока точка (А) не совпадет с точкой (S₀). Смещенная точка (В) означает тогда вершину (S₁) конуса. Либо путем смещения отрезка (A-S₀) вдоль отрезка (А-В), пока точка (А) не совпадет с точкой (В). Смещенная точка (S₀ ) определяет тогда вершину (S₁) конуса. Способы изготовления запорной заслонки касаются обработки геометрии элементов запорной заслонки: уплотнения в корпусе (12, 37), уплотнения диска заслонки (11, 32). Особенностью этих способов является то, что для обработки геометрии того или иного элемента заслонки: уплотнения в корпусе (12, 37) и уплотнения диска заслонки (11, 32) последние фиксируют на установленном с возможностью вращения столе (61), ориентируя так, чтобы ось (D_А), вращения стола была одновременно осью (К_А) конуса уплотнительной поверхности. При этом вращающийся инструмент (62) с линией (64) обработки вдоль образующей конуса снимает материал с соответствующего элемента (12, 37) и (11, 32) в зоне уплотнительной поверхности корпуса или уплотнительных элементов, причем стол (61) вращают. Имеются также варианты изготовления упомянутых элементов заслонки. Изобретения направлены на повышение уплотняющих свойств заслонки, а также на уменьшение приводных моментов. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 27 ил., 1 табл.

Изобретение относится к запорной заслонке для полостей под давлением, в частности для резервуаров или трубопроводов, содержащей установленный в корпусе с возможностью поворота относительно оси вращения диск заслонки, который в уплотняющем положении перекрывает протекание текучей среды через корпус в двух противоположных друг другу направлениях потока в зоне уплотнения, причем диск заслонки установлен эксцентрично, т.е. с осью вращения за пределами средней линии уплотнения, при этом ось вращения проходит, в частности, через главную ось запорной заслонки.

В направляющих текучие среды трубопроводах поток прерывают клапанами, задвижками или заслонками. Заслонки предпочтительны из-за их значительно меньшей конструктивной длины.

Наипростейшее выполнение заслонки имеет ось вращения, проходящую посередине вдоль диска заслонки.

Известна также эксцентричная конструктивная форма, у которой ось вращения проходит на расстоянии от диска заслонки. За счет этого улучшается, как правило, уплотняющая функция диска заслонки, поскольку уплотнение диска не прерывается валом вращения, выведенным из внутреннего пространства корпуса. Вал вращения находится напротив, перед или за диском заслонки. В остальном ось вращения или вал вращения расположен посередине перед диском заслонки и пересекает главную ось запорной заслонки, а тем самым также главную ось трубопровода.

Наконец, например, из ЕР 0145632 В1 (прототип) известны так называемые заслонки с двойным эксцентриситетом. Ось вращения или вал вращения расположен у этого типа дополнительно к описанному эксцентриситету за пределами главной оси, т.е. на небольшом расстоянии от нее. Этим обеспечивается эффект самозакрывания или принудительное закрывание в одном направлении потока. В отношении другого направления потока как недостаток возникает постоянное давление открывания, так что необходимо приложить также постоянное и высокое усилие закрывания с соответственно высоким приводным моментом. На длительный срок, в частности при более высоких давлениях в трубопроводе, возникают места утечек, которые делают невозможной безопасную работу на закрытой стороне трубопровода.

На этом фоне задачей изобретения является создание запорной заслонки с улучшенным уплотняющим действием. Другая задача состоит в том, чтобы обойтись меньшими приводными моментами.

Согласно изобретению задача решается посредством отличительных признаков п.1 формулы изобретения.

В усовершенствованном варианте изобретения предусмотрено, что диск заслонки выполнен самозакрывающимся в обоих направлениях потока. Это значит, что последний отрезок движения закрывания поддерживается результирующим, действующим на диск заслонки рабочим давлением, независимо от направления потока. В простейшем случае это обеспечивается центрично установленным диском заслонки, который в закрытом положении в обоих направлениях потока имеет разные по величине поверхности сбоку от оси вращения, причем соответственно большие поверхности диагонально противоположны друг другу через ось вращения, как и меньшие поверхности. Это кажущееся невозможным расположение обеспечивается за счет определенной толщины диска заслонки и скошенной в боковых зонах на наибольшем расстоянии от оси вращения, огибающей уплотнительной поверхности. Сбоку уплотнение имеет тогда пространственную глубину в направлении главной оси и в направлении диаметра. Именно глубина в направлении диаметра обеспечивает создание различных соотношений поверхностей в обоих направлениях потока. Обращенная к потоку сторона диска заслонки разделена осью вращения на левую и правую поверхности. Для создания усилия закрывания важной является разность поверхностей. При взгляде на диск заслонки в соответствии с направлением потока и закрывающимся с правым вращением диском заслонки эффект самозакрывания возникает тогда, когда левая поверхность больше правой. То же условие следует соблюдать на другой стороне диска заслонки в другом направлении потока. Это возможно за счет направленной наискось сбоку уплотнительной поверхности, так что так называемая левая поверхность заслонки на одной стороне больше (противоположной ей) правой поверхности заслонки на другой стороне.

В частности, по периферии диска заслонки расположены преимущественно кольцеобразные уплотнительные элементы, которые при закрывании диска заслонки прижимаются к огибающей уплотнительной поверхности. При этом создается кольцевое натяжение, так что давление равномерно распределено по периферии, а по окружности возникает высокое уплотняющее действие.

Описанный скос уплотнительной поверхности может быть выполнен с разной крутизной на противоположных друг другу боковых краях или, в целом, по огибающей, так что образуется так называемый посадочный конус. Диск заслонки может быть выполнен также эксцентричным, т.е. с осью вращения за пределами диска заслонки или соответствующей средней линии уплотнения. Также у этого выполнения, в принципе, возможно принудительное закрывание в обоих направлениях потока.

Предпочтительным образом ось вращения расположена на главной оси или пересекает ее. Конструкция запорной заслонки за счет этого более простая. Возникающие усилия и моменты почти симметричны.

При использовании или расположении посадочного конуса предпочтителен большой угол посадочного конуса для уменьшения сил трения при закрывании. Посадочный конус определяется положением оси посадочного конуса или оси конуса и положением вершины конуса. Посадочный конус должен быть выбран или рассчитан так, чтобы заклинивание диска заслонки в зоне уплотнения было невозможно. Особенно предпочтительное выполнение изобретения касается запорной заслонки с посадочным конусом, причем последний имеет рассчитанную по определенным критериям геометрическую форму (см., в частности, пп.1-6).

Охарактеризованное в п.1 положение огибающей уплотнительной поверхности можно отразить другими словами следующим образом: уплотнение содержит огибающую уплотнительную поверхность DF, которая является частью боковой поверхности конуса, образующие (K₁, K₂) которой определяют угол уплотнительной поверхности DF относительно главной оси (17, 38) запорной заслонки; образующие пересекают друг друга в зоне вершины (S₁ ) конуса; средняя линия (39) уплотнения пересекает главную ось (38) перпендикулярно ей; ось вращения расположена на расстоянии от средней линии (39) уплотнения, в частности на главной оси (38), и проходит поперек средней линии уплотнения и главной оси; с осью вращения в качестве центра (46) установлена уплотнительная окружность (55), диаметр которой меньше номинального диаметра DN трубопровода или внутреннего диаметра внутри запорной заслонки (31), причем средняя линия (39) уплотнения пересекает уплотнительную окружность (55) в двух точках (А, С) пересечения; прямая через точку (А) пересечения и центр (46) вращения пересекает уплотнительную окружность (55) в точке (В) пересечения, причем точка (В) пересечения располагается противоположно точке (А) через центр (46) вращения; касательная (T₁) к уплотнительной окружности (55) в точке (А) и прямая через точки (В, С) пересекаются в точке S₀; положение вершины (S₁) конуса определяется смещением отрезка (А-В) вдоль касательной (T₁), пока точка (А) не совпадет с точкой (S₀), причем смещенная точка (В) означает тогда вершину (S₁) конуса, или путем смещения отрезка (A-S₀) вдоль отрезка (А-В), пока точка (А) не совпадет с точкой (В), причем смещенная точка (S₀) определяет тогда вершину (S₁) конуса.

Целесообразно при этом исходить из того, что вершина конуса и центр вращения лежат по разные стороны средней линии уплотнения. Также направление закрывания диска заслонки возникает таким образом, что последний в своем открытом положении противоположен вершине конуса через главную ось.

Как сказано в первых абзацах описания, известны эксцентричные или дважды эксцентричные формы выполнения. Запорная заслонка с признаками согласно изобретению обеспечивает конструкцию эксцентричной формы выполнения, у которой ось вращения, в частности, пересекает главную ось и срабатывание диска заслонки в обоих направлениях вращения и в обоих направлениях потока возможно с существенно меньшими приводными моментами, чем у всех известных до сих пор запорных заслонок. Это относится также к конструкциям, у которых огибающее диск заслонки уплотнение, например огибающее пружинное кольцо, в направлении потока выполнено почти произвольно тонким. Подобный диск заслонки, правда, не является больше самозакрывающимся. Напротив, может потребоваться небольшой удерживающий момент для соблюдения закрытого положения диска заслонки. Приводной момент для открывания диска заслонки, однако, также заметно меньше, чем у известных запорных заслонок. Привод диска заслонки может иметь существенно меньшие габариты, чем прежде. Это является большим преимуществом именно для быстро закрывающихся и открывающихся заслонок.

Причина легкого открывания запорной заслонки заключается также в использовании плавающего пружинного кольца в качестве огибающего уплотнения на диске заслонки. Оно прилегает изнутри к конусному седлу огибающей уплотнительной поверхности в корпусе заслонки. Чем глубже пружинное кольцо вдавливается в конусное седло боковой поверхности конуса, например за счет разности давлений с обеих сторон диска заслонки или за счет приводного момента, тем больше становится вызванное обжатием пружинного кольца ответное усилие (компенсация усилия) или ответный момент, ответственный за легкое открывание диска заслонки. Углы боковой поверхности конуса выбраны с возможностью исключения зажатия или самоторможения.

Наконец, изобретение относится также к разным способам изготовления запорных заслонок. Точнее, речь идет об обработке уплотнительных поверхностей на диске заслонки и на корпусе. На практике уплотнение состоит из огибающей уплотнительной поверхности на диске заслонки или на корпусе и соответствующих уплотнительных элементов на соответственно другой детали. Например, может быть предусмотрена набивка из уплотнительных колец или пластинчатых уплотнений. Уплотнительные элементы обрабатывают аналогично уплотнительной поверхности. Преимущественно диск клапана снабжен уплотнительными элементами.

Другие признаки изобретения приведены в формуле и описании.

Примеры выполнения изобретения более подробно описаны ниже с помощью чертежей, на которых представляют:

- фиг.1: разрез центричной запорной заслонки;

- фиг.2: разрез эксцентричной запорной заслонки с обозначением определенного направления потока;

- фиг.3: запорную заслонку по фиг.2 со встречным направлением потока;

- фиг.4-6: запорную заслонку в трех различных видах, а именно при виде сверху в одном направлении потока, в вертикальном разрезе и в горизонтальном разрезе, последний аналогично фиг.1-3;

- фиг.7: запорную заслонку в горизонтальном разрезе со вспомогательными линиями для определения посадочного конуса или геометрии уплотнения;

- фиг.8: изображение аналогично фиг.7 с другими вспомогательными линиями;

- фиг.9: в увеличенном масштабе фрагмент из фиг.8;

- фиг.10: функциональный подбор, а именно запорную заслонку в горизонтальном разрезе с поворотным столом станка с ЧПУ;

- фиг.11: корпус запорной заслонки по фиг.10, зажатый на поворотном столе;

- фиг.12: диск заслонки в соответствии с фиг.10, зажатый на поворотном столе;

- фиг.13: изображение аналогично фиг.10, однако для несколько иной обработки;

- фиг.14: изображение аналогично фиг.11;

- фиг.15: изображение аналогично фиг.12;

- фиг.16-19: геометрические пояснения для определения необходимых для конструкции размеров;

- фиг.20: изображение возникающих при закрывании запорной заслонки усилий в зоне огибающего уплотнительного кольца;

- фиг.21: уплотнительное кольцо в сечении;

- фиг.22: другое графическое изображение возникающих усилий в соответствии с фиг.20;

- фиг.23: соответствует фиг.21;

- фиг.24: изображение аналогично фиг.8 и 16 для пояснения другого метода расчета вершины S₁ конуса и эллиптической формы уплотнительного седла;

- фиг.25: проекцию для дальнейшего пояснения эллиптической формы;

- фиг.26: изображение сечения потока в запорной заслонке для пояснения возникающих усилий и моментов;

- фиг.27: изображение аналогично фиг.9 и 17 для дальнейшего пояснения эллиптической формы.

Некоторые важные основные термины запорной заслонки 10 согласно изобретению поясняются сначала с помощью фиг.1. Диск 11 заслонки установлен в корпусе 12 с центричной осью 13 вращения. Не показаны трубопроводы перед и за заслонкой.

Уплотнительное седло в корпусе 12 обозначено поз. 14 и имеет уплотнительную поверхность 15. Соответствующая уплотнительная поверхность в зоне диска 11 заслонки обозначена поз.16. На практике здесь или в корпусе могут быть предусмотрены также несколько уплотнительных пластин.

Главная ось 17 запорной заслонки 10 проходит параллельно направлениям 18, 19 потока и в данном случае проходит через ось 13 вращения. Точнее говоря, главная ось 17 образуется в качестве оси вдоль направлений потока и через центр тяжести поверхности заслонки 11. Также главная ось 17 обычно является осью трубы.

Уплотнительные поверхности 15, 16 изогнуты под углом относительно главной оси 17 так, что возникают габариты в направлении главной оси 17 (глубина t_L в направлении главной оси и глубина t_D в направлении диаметра). Скос уплотнительных поверхностей 15, 16 наибольший там, где наибольшим является также расстояние от оси 13 вращения. В месте прохождения оси 13 вращения через уплотнительные поверхности 15, 16 последние ориентированы параллельно главной оси 17 и не имеют, тем самым, скоса. За счет глубины уплотнительных поверхностей 15, 16 в направлении главной оси 17 можно указать среднюю линию 20 уплотнения. Точка 21 ее пересечения с уплотнительной поверхностью 16 описывает при повороте диска 11 заслонки уплотнительную окружность 22.

В данном случае диск 11 заслонки для открывания следует вращать вправо по стрелке 23, а для закрывания - влево по стрелке 24.

Запорная заслонка 10 сконструирована с возможностью принудительного закрывания диска 11 заслонки в обоих направлениях 18, 19 потока. При направлении потока по стрелке 18 нагружается правая сторона 25 диска, при встречном направлении потока - левая сторона 26. Обе стороны 25, 26 могут быть разделены на противоположные друг другу боковые поверхности 27, 28 и 29, 30, причем разделение возникает за счет положения главной оси 17. Если предположить направление 18 потока, то усилие закрывания возникает за счет разных по величине поверхностей 29, 30. Боковая поверхность 29 больше боковой поверхности 30 из-за косо направленной уплотнительной поверхности 16. На противоположной стороне 26 отношения обратные. Соответствующие отношения возникают при обратном направлении 19 потока, также здесь усилие закрывания возникает за счет разных по величине поверхностей 27, 28.

Описанные взаимосвязи еще раз изображены на фиг.2, 3 с помощью выполненной немного иначе запорной заслонки 31. Здесь по сравнению с фиг.1 направления вращения поменены местами. Так, диск 32 заслонки закрывается при вращении вправо по стрелке 33, а открывается за счет вращения влево по стрелке 34. Разные направления потока обозначены поз. 35, 36, корпус - поз.37, главная ось - поз.38, а средняя линия уплотнения - поз.39. Разные по размеру боковые поверхности обозначены поз.A₁, А₂ на правой стороне 40 и поз.А ₃, A₄ на левой стороне 41. Точно так же, как и в примере выполнения на фиг.1, усилия закрывания возникают и здесь в обоих направлениях потока.

В противоположность фиг.1 диск 11 заслонки на фиг.2, 3 содержит так называемое конусное седло с конически ориентированными по отношению друг к другу уплотнительными поверхностями 42, 43 на корпусе 37 и соответственно расположенными уплотнительными пластинами 44 на периферии диска 32 заслонки. Воображаемые продолжения уплотнительных поверхностей 42, 43 в плоскости фигуры сходятся непоказанным образом слева от диска 32 заслонки и над главной осью 38 и образуют конус. В направлении периферии возникает огибающая уплотнительная поверхность DF как часть боковой поверхности конуса. Косо направленная линия 45, проходящая через среднюю линию 39 уплотнения и главную ось 38, представляет собой ось конуса.

В противоположность запорной заслонке 10 запорная заслонка 31 выполнена с незначительным (двойным) эксцентриситетом с центром 46 вращения вплотную рядом с главной осью 38. Эксцентриситет, а именно расстояние центра 46 вращения от главной оси 38, выбран настолько малым, что за счет распределения поверхностей усилия закрывания возникают в обоих направлениях потока. В данном случае расстояние меньше половины глубины t_D уплотнительной поверхности уплотнительных пластин 44. При этом t_D возникает в направлении средней линии 39 уплотнения поперек главной оси 38 (см. также фиг.1).

На фиг.4-6 видно близкое к реальности изображение запорной заслонки в трех видах. Речь идет опять-таки об эксцентричной заслонке такой же конструкции, что и на фиг.2, 3. Поэтому предусмотрены те же ссылочные позиции. Дополнительно виден вал 47 вращения, фланцы 48, 49 трубы и подшипники 50, 51 для вала 47 вращения. На фиг.5 хорошо видно, что уплотнительные поверхности при вертикальном вале 47 вращения имеют в верхней 52 или в нижней 53 периферийной зоне лишь небольшой наклон к главной оси 38. Переход между этими периферийными зонами и боковыми периферийными зонами с уплотнительными поверхностями 42, 43, естественно, плавный. В действительности зоны 52, 53 также имеют угол по отношению друг к другу в соответствии с описанным на фиг.2, 3 "конусным седлом".

С помощью фиг.7-9 ниже более подробно поясняется конструкция "конусного седла" и, тем самым, конусность уплотнительных поверхностей 42, 43 и периферийных зон 52, 53. При этом следует исходить из конструкции запорной заслонки на фиг.4-6. Соответственно используются те же ссылочные позиции.

Запираемый трубопровод имеет номинальный диаметр DN. Диск 32 заслонки, естественно, немного меньше в диаметре. В данном случае он в отличие от фиг.4-6 расположен центрично (лишь простой эксцентриситет за счет расположения оси вращения за пределами средней линии уплотнения) с центром 46 вращения через главную ось 38. Последняя является здесь одновременно осью трубы. Уплотнительная окружность 55 возникает вокруг центра 46 вращения в сочетании с точкой А пересечения средней линии 39 уплотнения и конструируемых уплотнительных поверхностей 42, 43. На этой стадии диаметр в зоне уплотнительных поверхностей 42, 43 известен или может быть принят в качестве предварительного условия. Сконструирована должна быть лишь коническая ориентация уплотнительных поверхностей.

Прямая через центр 46 вращения и точку А пересечения ведет автоматически к противоположной точке В пересечения. Противоположно точке А пересечения вдоль средней линии 39 уплотнения и на уплотнительной окружности 55 возникает точка С пересечения.

С помощью точек А, В, С конструируют вспомогательные линии, а именно касательную T₁ к уплотнительной окружности 55 через точку А и прямую G₁ через точки В и С. Прямые T₁ и G₁ пересекают друг друга в точке S₀.

За счет смещения отрезка А-В вдоль касательной T₁ точка А приходится на точку S₀ , тогда как точка В определяет новую точку S₁ . Исходя из этой точки S₁, через точки А и С проводят линии K₁, K₂ конуса. Линии K₁ , K₂ конуса описывают периферию конуса (образующие), которая определяет одновременно конусное седло в запорной заслонке 31 или углы уплотнительных поверхностей 42, 43 и соответствующих уплотнительных элементов на диске 32 заслонки.

В результате точка S₁ отстоит от главной оси 17, 38 на расстояние “а”, соответствующее трехкратному радиусу r_к диска 32 заслонки.

Ось к_а конуса проходит от точки S₁ пересечения через диск 32 заслонки, а именно между центром 46 вращения и точкой 56 пересечения главной оси 38 и средней линии 39 уплотнения. Описанное положение оси К_A конуса является дополнительным условием закрывающего действия в обоих направлениях потока.

На фигурах корпус 37 содержит огибающую уплотнительную поверхность, а диск 32 клапана - уплотнительные пластины 44. В действительности эти элементы могут быть также поменены местами, так что, например, диск 32 клапана имеет гладкие уплотнительные поверхности.

Изготовление и обработка уплотнительных поверхностей и пакетов пластин поясняются ниже с помощью фиг.10-15. При этом диски 32 заслонок расположены соответственно просто эксцентрично с центром 46 вращения на главной оси 38.

Фиг.10-12 иллюстрируют изготовление посадочного конуса. При этом фиг.10 представляет собой функциональный обзор с изображением диска 32 заслонки и корпуса 37. В действительности обе детали изготовляют независимо друг от друга в соответствии с фиг.11 и 12.

На фиг.11 корпус 37 зажат в определенном угловом положении во вспомогательном приспособлении 60. Угол α образуется между главной осью 38 и осью К_A конуса. Она является одновременно осью d_A вращения поясняемого ниже поворотного стола 61.

Вспомогательное приспособление 60 прочно установлено на поворотном столе 61. Над вспомогательным приспособлением 60 закреплен вращающийся инструмент 62, например фреза или шлифовальный круг. Инструмент 62 ориентирован цилиндрической поверхностью 63 параллельно боковой поверхности конуса или линии K₁ конуса. Соответственно прямая линия 64 обработки возникает за счет удаления материала инструментом 62, в данном случае в зоне огибающей уплотнительной поверхности на корпусе 37. Инструмент 62 вращается вокруг оси 65, проходящей параллельно нужному контуру уплотнительной поверхности и боковой поверхности конуса.

Обработку осуществляют в так называемом фрезерном центре с ЧПУ. Поворотный стол 61 представляет собой координату В. Во время обработки огибающую уплотнительную поверхность 42, 43 выполняют в корпусе 37 за счет относительно быстрого вращения инструмента 62. В то же время происходит относительно медленное по сравнению с этим вращение поворотного стола 61 в сочетании с осевым движением инструмента 62 по стрелке 66. Важными являются точное ориентирование инструмента 62 в соответствии с вычисленной боковой поверхностью конуса и такое же точное позиционирование корпуса 37 посредством вспомогательного приспособления 60.

На фиг.12 диск 32 клапана снабжен уплотнительными пластинами 44. Их наружные диаметры также должны быть согласованы с посадочным конусом или боковой поверхностью конуса. Для этого диск 32 клапана закрепляют в дополнительном вспомогательном приспособлении 67 на поворотном столе 61 и обрабатывают инструментом 62, как до этого корпус 37, однако снаружи. Соответственно ось 65 лежит за пределами боковой поверхности конуса (линии K₁, К₂ конуса). При обработке за счет вращения стола 61 происходит маятниковое для наблюдателя движение корпуса 37 и диска 32 заслонки. Огибающая уплотнительная поверхность лежит пространственно на боковой поверхности вычисленного конуса. На основе геометрических отношений возникает эллиптическая форма уплотнительной поверхности.

Немного иной вид обработки изображен на фиг.13-15. На фиг.13 также изображен подбор всех деталей аналогично фиг.10.

На фиг.14 показана обработка корпуса 37. В противоположность фиг.11 здесь предусмотрен невращающийся инструмент 68, имеющий режущую кромку 69. Корпус 37 также фиксирован во вспомогательном приспособлении 60. Последнее зажато в зажимных кулачках 70 токарного патрона. Для обработки корпус 37 вращают вокруг оси К_A конуса (одновременно ось d_a вращения), а инструмент 68 перемещают только по стрелке 71 и параллельно боковой поверхности конуса.

Изготовление контура в зоне диска 32 заслонки осуществляют опять-таки посредством обработки снаружи аналогично фиг.12.

Вместо описанных способов обработки могут применяться иные, например лазерная обработка или водоструйная резка.

С помощью фиг.16-19 ниже поясняется расчет конструкционных параметров. Использованные показатели и переменные отличаются от вышеуказанных. Для конструкции даны радиус R поворота запорной заслонки и расстояние "а" от оси вращения до плоскости (WAU) уплотнения.

R возникает из требования номинального диаметра, "а" возникает по статическим причинам жесткости (выбор материала, требования к давлению и т.д.). Ось вращения проходит через ось трубы.

Справедливо:

R = отрезок , естественно также отрезки и ;

a = отрезок .

Определение необходимых для конструирования параметров

Определение угла α:

Определение угла β:

Определение угла γ:

Определение отрезка :

Определение точки Ω через отрезок :

Для дальнейшего расчета необходимо определить положение точки Ф.

Прямоугольный вспомогательный треугольник, состоящий из ограничительных точек Ω, Ф и Г, совпадает с треугольником, ограниченным точками U, V и W.

Таким образом, справедливо:

отрезок ;

отрезок (см. уравнение IV).

Таким образом, для отрезка справедливо:

Величину и положение углов конуса можно определить теперь следующим образом:

Определение угла η:

Таким образом, угол ϑ конуса:

Положение центра конуса описывается углом ρ:

При использовании для отношения расстояния “а” от оси вращения и радиуса R: для приведенных уравнений (I)-(Х) возникает упрощенная форма записи.

Кроме того, при замене терма на σ уравнения (I)-(Х) можно сократить следующим образом:

С помощью фиг.20-23 ниже поясняются усилия при закрывании запорной заслонки. Диск заслонки снабжен уплотнительным элементом в виде уплотнительных пластин 44 (фиг.2, 3). Для упрощения заявитель исходит на фиг.20-23 из единственного пружинного кольца 71. Оно может образовать уплотнительный элемент диска заслонки само по себе или вместе с другими тонкими уплотнительными кольцами - пакетом пластин. Ниже заявитель исходит из того, что уплотнительный элемент диска заслонки получается относительно тонким, таким образом предусмотрено только одно плавающее в огибающей обойме или пазу пружинное кольцо 71.

При закрывании запорной заслонки пружинное кольцо 71 прилегает к огибающему уплотнительному седлу корпуса заслонки. За счет вращательного движения закрывания по стрелке 72 на боковые зоны 73, 74 действует сильный нажим, вызванный конической формой уплотнительного седла, приблизительно сопоставимый с набеганием на косую плоскость.

На верхнюю 52 и нижнюю 53 периферийные зоны не действуют направленные внутрь усилия, поскольку здесь пружинное кольцо 71 пересекает ось вращения (центр 46 вращения). Соответственно в этих периферийных зонах 52, 53 в качестве реакции возникает направленный наружу нажим пружинного кольца 71. Таким образом, происходит самопроизвольная пригонка пружинного кольца 71 к уплотнительному седлу. Возникающие усилия за счет упругости пружинного кольца 71 равномерно распределяются или направляются дальше. Важной для этого является также установка пружинного кольца 71 таким образом, чтобы оно могло совершать поперек направления потока пригоночные или отклоняющие движения.

На фиг.22 графически изображены возникающие усилия. Суженная окружность 75 определяет со своим отклонением относительно наружного диаметра пружинного кольца 71 различные усилия. В боковых зонах 73, 74 сжимающие усилия, действующие снаружи на пружинное кольцо 71, наибольшие, тогда как в верхних и нижних периферийных зонах 52, 53 преобладают следующие из этого усилия реакции. Они, естественно, направлены наружу.

С помощью фиг.24 и 25 ниже поясняется эллиптическая форма диска заслонки и уплотнительного седла соответственно. Как уже говорилось выше, уплотнительное седло, т.е. огибающая уплотнительная поверхность в корпусе 37 заслонки, является частью боковой поверхности конуса с вершиной S₁. Поскольку вершина S₁ конуса не лежит на главной оси 38, соответствующее коническое сечение проходит под углом к оси К_A конуса, отличающимся от 90°, и имеет форму эллипса. Огибающая уплотнительная поверхность имеет, таким образом, два диаметра в соответствии с обычными в математике размерами эллипса, а именно большой диаметр 2а и маленький диаметр 2b. При этом большой диаметр 2а на фиг.24 соответствует отрезку между точками А и С. Маленький диаметр 2b, высота диска 32 заслонки, образуется за счет перпендикулярной к оси К_A конуса линии 76 через точку р, причем этот перпендикуляр пересекает точку 56 пересечения средней линии 39 уплотнения с главной осью 38. Видны, кроме того, точки s и t пересечения линии 76 с образующими K₁ и К₂ конуса. Маленький диаметр 2b равен расстоянию между точками s и t вдоль линии 76.

На фиг.24 точка S₁ лежит на параллели 77 к главной оси 38, причем параллель 77 отстоит от главной оси 38 на расстояние, соответствующее трехкратному радиусу r_k заслонки (r_k = расстояние между точками 56 и С). Место точки S₁ на параллели 77 возникает за счет касательной 78 к уплотнительной окружности 55 в точке В (или точке V на фиг.16-18). Чем дальше удален, таким образом, центр 46 вращения от средней линии 39 уплотнения (эксцентриситет запорной заслонки), тем дальше точка S₁ на параллели 77 смещается влево в направлении средней линии 39 уплотнения.

С помощью фиг.25 поясняется эллиптическая форма огибающего уплотнения. Конус с вершиной Z и образующими Z₁, Z ₂ имеет ось Z_A, являющуюся одновременно биссектрисой угла ϑ. Сечение кругового конуса через точку Н на половине высоты конуса и перпендикулярно оси Z_A конуса дает с образующими Z₁, Z₂ точки H₁, Н₂ пересечения. Соответствующее косое сечение конуса обозначено двойной линией. Она состоит из двух отрезков D₁, D ₂ равной длины, оба соответственно длиной "а". Точка Н между отрезками D₁, D₂ лежит не на оси конуса, а на расстоянии от точки р пересечения оси конуса. Расстояние между точками Н и р является степенью эксцентриситета в соответствии с правилами расчета эллипса. Линейный эксцентриситет е эллипса составляет точно , а числовой эксцентриситет ε=e/α.

В зависимости от положения косого сечения конуса точка Н приходится на большем или меньшем расстоянии от оси z_A конуса. Для этого на фиг.25 показаны некоторые сечения конуса, идущие от точки Z_S. Далее видна высота эллипса сечения конуса через точку Н. Эллипс имеет высоту 2b, соответствующую расстоянию между точками H₁ и H₂. Точки Н и р на фиг.2 5 соответствуют точкам 56 и р на фиг.24. Для наглядности там тоже показаны отрезки D₁ и D₂.

Особенность запорной заслонки согласно изобретению именно в сочетании с относительно тонким пружинным кольцом или уплотнительным кольцом состоит в небольших исполнительных моментах по сравнению с обычными запорными заслонками. У теоретически бесконечно тонкого уплотнительного кольца больше не возникают описанные выше усилия, вызывающие эффект самозакрывания или самоудержания. Благодаря симметричному расположению заслонки - ось вращения на главной оси 38 = простому эксцентриситету - компенсируются усилия, господствующие за счет разных давлений по обе стороны диска заслонки. Необходимые для открывания и закрывания заслонки исполнительные моменты относительно невелики. Привод может иметь соответственно небольшие габариты.

При закрытой заслонке за счет разных давлений по обе стороны диска заслонки возникает незначительный прогиб последнего, который, естественно, наибольший на половине высоты - на фиг.26 вдоль оси X. Из-за прогиба и поясненного выше расположения конусного седла происходит поперечное смещение уплотнительного кольца или пружинного кольца 71. Это поперечное смещение, однако, настолько мало, что оно повышает необходимые исполнительные моменты лишь в малой степени. Ниже с помощью фиг.26 и уравнений поясняются действующие перпендикулярно закрытому диску заслонки моменты после смещения пружинного кольца 71. Пояснения относятся также к толстым уплотнительным кольцам или пакетам уплотнительных пластин и к вытекающим из этого разным моментам по обе стороны диска заслонки. Справедливо:

где у=f(x)

где y=f(x)

где (0°≤ϕ≤108°) и и

Пружинное кольцо 71 с соответствующим диском заслонки образует поверхность в форме эллипса с длинным диаметром 2а (ширина) и коротким диаметром 2b (высота). Центр 26 вращения 46 диска заслонки расположен со смещением относительно биссектрисы (ось у) ширины 2а. В сочетании с разностью давлений по обе стороны диска заслонки возникает результирующий крутящий момент, который в зависимости от направления или знака поддерживает смещение диска заслонки или тормозит его. Поверхности с обеих сторон вертикальной линии, определяемой центром 46 вращения, вычисляются с помощью уравнений (XI) и (XII). В качестве функции y=f(x) здесь следует принять относящуюся к эллипсу функцию. На основе общей формулы y=f(x) можно с помощью уравнений (XI)-(XVIII) вычислить также моменты на дисках заслонок другой формы. Необходимо определить лишь функцию. Действующие плечи рычага определяют с помощью положения центров тяжести Sx₁ и Sх₂ давлений (см. уравнения (XIII) и (XIV)). Результирующий момент (см. уравнения (XV)-(XVIII)) возникает из разности отдельных моментов, причем их определяют через действующее давление р, вычисленные поверхности A₁ и А₂, а также действующие плечи Sx ₁ и Sх₂ рычага. В уравнение (XVIII) подставлены соответствующие величины и, насколько возможно, сокращены. Важные для интегралов конечные точки c, d и е видны на фиг.26, с и е являются одновременно боковыми краевыми точками пружинного кольца 71 после его поперечного смещения или боковыми краевыми точками, действующими на соответственно рассматриваемой стороне диска заслонки, тогда как d обозначает место оси, определяемой центром 46 вращения.

Уравнение (XIX) описывает в общем виде возникающие снаружи на периферии пружинного кольца 71 на фиг.20 изгибающие моменты в зависимости от угла ϕ радиуса R к горизонтали, вызванные прижатием боковых зон к конусному седлу огибающей уплотнительной поверхности DF при закрывании диска заслонки. F_A обозначает действующее при этом усилие. Значения для (1/π-1/2sinϕ) в правом столбце нижеследующей таблицы должны соответствовать показанным на фиг.22 стрелкам между суженной окружностью 75 и периферией пружинного кольца 71. Уравнение (XIX) отражает для момента М_R(ϕ) довольно точное значение, если b/a лежит между 0,9 и 1.

На фиг.27 изображен наконец монтаж пружинного кольца 71 в диске 32 заслонки. Пружинное кольцо 71 фиксировано в огибающем пазу 79, образованном диском 32 заслонки и навинченным на диск заслонки фиксирующим кольцом 80, наружный диаметр которого немного меньше наружного диаметра пружинного кольца 71. Напротив фиксирующего кольца 80, т.е. на другой стороне пружинного кольца 71, в аксиально направленном пазу 81 диска 32 заслонки расположено уплотнительное кольцо 82, так что перекрытая диском 32 заслонки среда не может протекать внутри мимо пружинного кольца 71.

Фиг.27 содержит еще одну особенность. Показанный эллипс Е представляет сечение конуса с правой на фигуре стороны пружинного кольца 71 по линии l_r. В этом случае эллипс Е делится пополам главной осью 38, пересекающей центр 46 вращения и точку 56. Если бы вместо этого сечение конуса проходило вдоль левой стороны пружинного кольца 71, то точка пересечения соответствующей линии сечения конуса (не показана) с делящей соответствующий эллипс пополам линией образовалась бы точно в точке P_L, обозначенной на фиг.27 крестиком.

Конусное седло огибающей уплотнительной поверхности DF четко определено вершиной S₁ конуса и образует обозначенный здесь таким образом главный конус. Не исключено конусное седло с другим положенным в основу конусом. Должны быть возможны такие конусы, вершина которых лежит ближе к главной оси 38 и одновременно также ближе к средней линии 39 уплотнения, чем S₁ (см. фиг.24). Это относится, в частности, к вершинам конусов, лежащим внутри главного конуса, т.е. между образующими K₁, K₂.

В описанных выше примерах выполнения в качестве конуса всегда предусмотрен круговой конус. В действительности же возможен также конус иной формы, например конус, сечение которого для образования огибающей уплотнительной поверхности имеет круглую форму. В целом, сечение конуса должно иметь перпендикулярно оси конуса исключительно выпуклую периферийную линию или не должно иметь вогнутых отрезков. Важным является только простой эксцентриситет диска заслонки, во всяком случае лишь небольшое расстояние оси вращения от главной оси (небольшой двойной эксцентриситет), так что возникают лишь небольшие отличия в моментах в разных направлениях потока.

Перечень ссылочных позиций

10 - запорная заслонка

11 - диск заслонки

12 - корпус

13 - ось вращения

14 - уплотнительное седло

15 - уплотнительная поверхность

16 - уплотнительная поверхность

17 - главная ось

18 - направление потока

19 - направление потока

20 - средняя линия уплотнения

21 - точка пересечения

22 - уплотнительная окружность

23 - стрелка

24 - стрелка

25 - правая сторона диска

26 - левая сторона диска

27 - боковая поверхность

28 - боковая поверхность

29 - боковая поверхность

30 - боковая поверхность

31 - запорная заслонка

32 - диск заслонки

33 - стрелка

34 - стрелка

35 - стрелки

36 - стрелки

37 - корпус

38 - главная ось

39 - средняя линия уплотнения

40 - правая сторона

41 - левая сторона

42 - уплотнительная поверхность

43 - уплотнительная поверхность

44 - уплотнительные пластины

45 - ось конуса

46 - центр вращения

47 - вал вращения

48 - фланец трубы

49 - фланец трубы

50 - подшипник

51 - подшипник

52 - периферийная зона

53 - периферийная зона

55 - уплотнительная окружность

56 - точка пересечения

60 - вспомогательное приспособление

61 - поворотный стол

62 - инструмент

63 - поверхность

64 - линия обработки

65 - ось

66 - стрелка

67 - вспомогательное приспособление

68 - инструмент

69 - режущая кромка

70 - зажимные кулачки

71 - пружинное кольцо

72 - стрелка

73 - боковая зона

74 - боковая зона

75 - окружность

76 - линия

77 - параллель

78 - касательная

79 - паз

80 - фиксирующее кольцо

81 - паз

82 - уплотнительное кольцо

А - расстояние

А - точка пересечения

В - точка пересечения

С - точка пересечения

A ₁ - боковая поверхность

А₂ - боковая поверхность

А₃ - боковая поверхность

А₄ - боковая поверхность

DN - номинальный диаметр

Е - эллипс

G₁ - прямая

К_А - ось конуса

K₁ - образующая

К₂ - образующая

L_R - линия

Р_L – точка

r_K - радиус диска заслонки

S ₀ - точка пересечения

S₁ - конструкционная точка

T₁ - касательная

α - угол

Формула изобретения

1. Запорная заслонка (10) для полостей под давлением, в частности для резервуаров или трубопроводов, содержащая установленный в корпусе (12,37) с возможностью поворота относительно оси вращения (13,46) диск (11,32) заслонки, который в уплотняющем положении способен перекрывать протекание текучей среды через корпус (12,37) в двух противоположных друг другу направлениях потока в зоне уплотнения, причем диск (32) заслонки установлен эксцентрично с осью (46) вращения за пределами средней линии (39) уплотнения и причем ось вращения проходит, в частности, через главную ось запорной заслонки, причем уплотнение содержит огибающую уплотнительную поверхность DF, которая является частью боковой поверхности конуса, образующие (K₁,K₂) которой определяют угол уплотнительной поверхности DF относительно главной оси (17,38) запорной заслонки, образующие пересекают друг друга в зоне вершины (S₁) конуса, средняя линия (39) уплотнения пересекает главную ось (38) перпендикулярно ей, ось вращения расположена на расстоянии от средней линии (39) уплотнения, в частности на главной оси (38), и проходит поперек средней линии уплотнения и главной оси, с осью вращения в качестве центра (46) установлена уплотнительная окружность (55), диаметр которой меньше номинального диаметра DN трубопровода или внутреннего диаметра внутри запорной заслонки (31), отличающаяся тем, что средняя линия (39) уплотнения пересекает уплотнительную окружность (55) в двух точках (А,С) пересечения, прямая через точку (А) пересечения и центр (46) вращения пересекает уплотнительную окружность (55) в точке (В) пересечения, причем точка (В) пересечения располагается противоположно точке (А) через центр (46) вращения, касательная (T₁ ) к уплотнительной окружности (55) в точке (А) и прямая через точки (В, С) пересекаются в точке S_o, положение вершины (S₁) конуса определяется смещением отрезка (А-В) вдоль касательной (T₁), пока точка (А) не совпадет с точкой (S_o), причем смещенная точка (В) означает тогда вершину (S₁) конуса, или путем смещения отрезка (A-S_o ) вдоль отрезка (А-В), пока точка (А) не совпадет с точкой (В), причем смещенная точка (S_o) определяет тогда вершину (S₁) конуса.

2. Заслонка по п.1, отличающаяся тем, что диск (11,32) заслонки выполнен самозакрывающимся в обоих направлениях потока, причем для этого диск (11,32) заслонки в закрытом положении в обоих направлениях потока имеет разные по величине поверхности сбоку от оси (13,46) вращения, причем соответственно большие поверхности диагонально противоположны друг другу через ось (13,46) вращения, как и меньшие поверхности.

3. Заслонка по п.1, отличающаяся тем, что диск (11,32) заслонки способен поворачиваться вокруг оси (13,46) вращения, проходящей через главную ось (17,38) запорной заслонки, в частности через ось трубы.

4. Заслонка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнение содержит огибающую уплотнительную поверхность (15,16,42,43) на диске (11,32) заслонки и/или на корпусе (12,37), являющуюся частью боковой поверхности конуса.

5. Заслонка по п.1, отличающаяся тем, что боковая поверхность конуса имеет вершину (S₁ ) конуса, лежащую за пределами главной оси (17,38) запорной заслонки, в частности на расстоянии от нее, которое больше радиуса r _к диска (11,32) заслонки.

6. Заслонка по п.5, отличающаяся тем, что вершина (S₁) конуса отстоит от главной оси (17,38) на расстояние а, где а=3r_к, причем а направлено по меньшей мере в направлении поперек оси (13,46) вращения и поперек главной оси (17,38) запорной заслонки.

7. Способ изготовления запорной заслонки по одному из пп.1-6 для полостей под давлением, в частности для резервуаров или трубопроводов, при котором в корпусе (12,37) заслонки устанавливают с возможностью поворота относительно оси вращения (13,46) диск (11,32) заслонки, который в уплотняющем положении перекрывает протекание текучей среды через корпус (12,37) в двух противоположных друг другу направлениях потока в зоне уплотнения, причем диск заслонки устанавливают эксцентрично, т.е. с осью вращения за пределами средней линии уплотнения и причем ось вращения проходит, в частности, через главную ось запорной заслонки, причем уплотнение выполняют с огибающей уплотнительной поверхностью, которая является частью боковой поверхности конуса, образующие (K₁, K ₂) которой определяют угол уплотнительной поверхности DF относительно главной оси (17,38) запорной заслонки и пересекают друг друга в зоне вершины (S₁) конуса, уплотнение выполняют так, что его средняя линия (39) пересекает главную ось (38) перпендикулярно ей, ось вращения расположена на расстоянии от средней линии (39) уплотнения, в частности на главной оси (38), и проходит поперек средней линии уплотнения и главной оси, с осью вращения в качестве центра (46) установлена уплотнительная окружность (55), диаметр которой выполняют меньше номинального диаметра DN трубопровода или внутреннего диаметра внутри запорной заслонки (31), отличающийся тем, что для обработки геометрии уплотнения в корпусе (12,37) последний фиксируют на установленном с возможностью вращения столе (61), ориентируя так, чтобы ось (D_А) вращения стола была одновременно осью (К _А) конуса уплотнительной поверхности, при этом вращающийся инструмент (62) с линией (64) обработки вдоль образующей конуса снимает материал корпуса (37) в зоне уплотнительной поверхности, причем стол (61) вращают.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что вращающийся инструмент (62) перемещают вдоль образующей (K₁) конуса в направлении вершины конуса и обратно.

9. Способ изготовления запорной заслонки по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что для обработки геометрии уплотнения диска (11,32) заслонки последний фиксируют на установленном с возможностью вращения столе (61), ориентируя так, чтобы ось (D _А) вращения стола была одновременно осью (К_А ) конуса уплотнительной поверхности, при этом вращающийся инструмент (62) с линией (64) обработки вдоль образующей конуса снимает материал диска (32) заслонки или материал предусмотренных на диске заслонки уплотнительных элементов, причем стол (61) вращают.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что вращающийся инструмент (62) перемещают вдоль образующей (K₁) конуса в направлении вершины конуса и обратно.

11. Способ изготовления запорной заслонки по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что для обработки геометрии уплотнения в корпусе (12,37) последний фиксируют на установленном с возможностью вращения столе или косвенно посредством зажимных кулачков (70) вращающегося обрабатывающего станка, ориентируя так, чтобы ось (D_a) вращения стола или обрабатывающего станка была одновременно осью (К_А) конуса уплотнительной поверхности (42,43), при этом режущий инструмент (68) с режущей кромкой (69) снимает материал корпуса (37) за счет вращения стола или обрабатывающего станка, причем режущий инструмент (68) с режущей кромкой (69) перемещают вдоль образующей (K₁ ) конуса.

12. Способ изготовления запорной заслонки по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что для обработки геометрии уплотнения диска (32) заслонки последний фиксируют на установленном с возможностью вращения столе или косвенно посредством зажимных кулачков (70) обрабатывающего станка, ориентируя так, чтобы ось (D_А) вращения стола или обрабатывающего станка была одновременно осью (К_А) конуса уплотнительной поверхности (42, 43), при этом режущий инструмент (68) с режущей кромкой (69) снимает материал диска (32) заслонки или уплотнительных элементов на диске заслонки за счет вращения стола или обрабатывающего станка, причем режущий инструмент (68) с режущей кромкой (69) перемещают вдоль образующей конуса в направлении вершины S ₁ конуса или обратно.

РИСУНКИ