Запорный орган для шарового крана и способ его изготовления

Изобретение относится к запорной трубопроводной арматуре и к способу ее изготовления ипредназначено для управления потоками рабочей среды в системах транспортировки, например, в водопроводах, газопроводах и т.п. Запорный орган для шарового крана содержит полую сферическую пробку и сопряженный с ней шпиндель переменного сечения. Шпиндель выполнен грибообразной формы с двойной по толщине шляпкой. Одна часть шляпки сопряжена с внешней поверхностью полой сферы, а другая - с внутренней. Вторым объектом изобретения является способ изготовления запорного органа для шарового крана. Этот способ крана включает изготовление металлических заготовок сферической пробки и шпинделя с последующей их металлообработкой и сборкой. Сборку заготовок пробки и шпинделя осуществляют в нагретом состоянии в температурном интервале (Ac₁-100°C)±50°С, с величиной общей деформации 70...90%, при скорости деформирования, не превышающей 2 мм/с. Изобретение направлено на снижение технологической себестоимости по процессу изготовления и повышение эксплуатационной надежности путем обеспечения герметизации места соединения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к арматуростроению и может быть, использовано при изготовлении шаровых кранов, предназначенных для управления потоками рабочей среды в системах транспортировки, например, в водопроводах, газопроводах и т.п.

Известен запорный орган для шарового крана в виде шара, выполненного заодно со шпинделем [1].

К недостаткам известного запорного органа следует отнести то, что он материалоемок и трудоемок в изготовлении.

Известен запорный орган для шарового крана, содержащий проходную сферическую пробку и сопряженный с ней посредством шлицевого соединения шпиндель переменного сечения [2].

Однако такая конструкция запорного органа тоже достаточно материалоемка.

Известен также запорный орган для шарового крана, содержащий полую сферическую пробку и сопряженный с ней шпиндель переменного сечения, выбранный за прототип [3]. В известном техническом решении сопряжение шпинделя с полой сферической тонкостенной пробкой осуществлено за счет того, что конец шпинделя выполнен квадратной формы и посажен в ответное квадратное отверстие в пробке. Герметизация соединения достигается за счет заполнения свободного внутреннего объема пробки упругодеформируемым материалом.

Недостатком известного технического решения является низкая надежность соединения тонкостенной пробки с квадратным отверстием со вставленным в нее квадратным концом шпинделя при передаче крутящего (управляющего) момента. Также к недостаткам относится и необходимость дополнительной герметизации места соединения.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности сопряжения шпинделя с полой сферической, особенно тонкостенной, пробкой и обеспечение герметичности сопряжения при обеспечении технологичности сборки.

Задача решается тем, что в запорном органе для шарового крана, содержащем полую сферическую пробку и сопряженный с ней шпиндель переменного сечения, шпиндель выполнен грибообразной формы с двойной по толщине шляпкой, одна часть которой сопряжена с внешней поверхностью полой сферической пробки, другая - с внутренней. При этом поверхности сопряжения частей шляпки шпинделя соответствуют поверхностям сопряжения полой сферической пробки, соответственно. А толщины частей шляпки шпинделя соответствуют толщине полой сферической пробки в месте сопряжения.

Выполнение шпинделя переменного сечения грибообразной формы с двойной по толщине шляпкой, одна часть которой сопряжена с внешней поверхностью полой сферической пробки, а другая - с внутренней, позволяет организовать передачу крутящего (управляющего) момента по двум развитым поверхностям и обеспечивает герметичность места сопряжения. Этому также способствует и то, что поверхности сопряжения частей шляпки шпинделя соответствуют поверхностям сопряжения полой сферической пробки. А толщина частей шляпки шпинделя соответствует толщине полой сферической пробки в месте сопряжения.

Известен способ холодной сварки металлов внахлестку со сдавливанием инструментом предварительно упрочненных участков деталей [4], который может быть применен при изготовлении запорного органа для шарового крана, например, если шпиндель выполнен грибообразной формы.

Недостатком известного способа является его повышенная трудоемкость из-за необходимости предварительного создания по толщине свариваемых под давлением деталей слоев различной твердости.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления запорного органа для шарового крана, включающий изготовление металлических заготовок сферической пробки и шпинделя с последующей их металлообработкой и сборкой, входящий составной частью в известное техническое решение [5].

Недостатком известного способа является то, что при тонкостенной полой сферической пробке он не обеспечивает достаточной надежности соединения и требует дополнительных технологических операций по герметизации места постановки квадратного конца шпинделя в ответное отверстие в пробке.

Изобретение направлено на решение задачи снижения технологической себестоимости по процессу изготовления и повышение эксплуатационной надежности путем обеспечения герметизации места (зоны) соединения.

Это достигается тем, что в способе изготовления запорного органа для шарового крана, включающем изготовление металлических заготовок сферической пробки и шпинделя с последующей их металлообработкой и сборкой, сборку заготовок пробки и шпинделя осуществляют в нагретом состоянии в температурном интервале (Ac₁-100°C)±50°C, с величиной общей деформации 70...90%, при скорости деформирования, не превышающей 2 мм/с.

Заявляемый запорный орган для шарового крана и способ его изготовления связаны единым изобретательским замыслом, поскольку способ охарактеризован признаками, направленными на реализацию признаков, характеризующих устройство.

Заявляемый запорный орган для шарового крана и способ его изготовления поясняются графически, где на фиг.1 представлен запорный орган, общий вид с вырезом, в наиболее распространенном рабочем положении; на фиг.2 изображено исходное положение заготовки сферической пробки и шпинделя в технологической оснастке; на фиг.З представлен процесс изготовления запорного органа.

Запорный орган для шарового крана содержит (см. фиг.1) сферическую пробку 1, сопряженную со шпинделем переменного сечения 2. Сферическая пробка 1 выполнена из двух полусфер, а именно верхней полусферы 3 и нижней полусферы 4 с проходными отверстиями 5, 6 - стенка сферической пробки 1, 7 - отверстие в стенке 6 верхней полусферы 3 под шпиндель 2. Шпиндель грибообразной формы 2 выполнен с двойной по толщине шляпкой 8, у которой одна часть 9 контактирует с внешней поверхностью сферической пробки 1, а другая часть 10 с внутренней поверхностью сферической пробки 1, 11 хвостовик как шпинделя 2, так и заготовки шпинделя 12.

Запорный орган может быть изготовлен заявленным способом следующим образом (см. фиг.2 и 3).

1. Калиброванный пруток, например, из нержавеющей стали разделяют механически на штучные заготовки под прямое выдавливание.

2. Нагревают штучную прутковую заготовку до температуры (Ac₁-100°C)±50°С и прямым выдавливанием получают шпиндель переменного сечения 12 с собственно цилиндрической частью, хвостовиком 11, например, в виде квадрата на одном конце и заготовкой под грибообразную шляпку 8 в виде цилиндра большего диаметра 13 и цилиндра меньшего диаметра 14 на другом конце.

3. Из тонкостенной трубной заготовки механическим способом отрезают кольцо, которое затем разрезают на две части, каждую из которых после нагрева до указанной в п.2 температуры деформируют сферическим пуансоном в сферической матрице (не показано), получая нижнюю полусферу 4.

4. На второй формообразующей операции с одного нагрева (п.3) в одной из полусфер пробивают в штампе, например, квадратное отверстие 7, сторона которого на 0,1...0,2 мм больше цилиндрической части наименьшего диаметра 14, получая верхнюю полусферу 3.

5. Нагревают шпиндель переменного сечения 12, предварительно размещенный цилиндрической частью 14 в квадратном отверстии 7 в стенке 6 верхней полусферы 3 совместно с верхней полусферой 3 до температуры (Ac₁-100°C)±50°C и помещают в сферическую матрицу 15. После чего сферическим пуансоном 16 деформируют с величиной общей деформации 70...90%, при скорости деформирования, не превышающей 2 мм/с.

6. Толкателем 17 подсборку шпинделя 2 с верхней полусферой 3 извлекают из матрицы 15.

7. Выполняют металлообработку заготовок полусферы 3 в сборке со шпинделем 2 и полусферы 4 под сварку.

8. Выполняют сварку верхней полусферы 3 с жестко закрепленным в ней шпинделем 2 с нижней полусферой 4 для получения шаровой поверхности.

9. Выполняют профильную шлифовку шаровой поверхности сферической пробки 1 с жестко закрепленным в ней шпинделем 2, получая запорный орган для шарового крана.

При этом следует учесть, что объемы металла участков шпинделя 12 в виде цилиндра большего диаметра 13 и цилиндра меньшего диаметра 14 (соответственно и их высоты) выбираются таким образом, чтобы обеспечить прочное герметичное соединение узла “шпиндель 2 - тонкостенная верхняя полусфера 3”. А совокупность термомеханических параметров - температура деформации, скорость деформирования и величина общей деформации - выбирается таким образом, чтобы в очаге пластической деформации не проявлялся тепловой эффект, т.е. не было рекристаллизованной структуры материала. Прочность соединения “шпиндель 2 - полусфера 3” обусловлена также контактными условиями деформации “поверхность квадратного отверстия 7 полусферы 3 - цилиндрическая поверхность участка наименьшего диаметра 14 заготовки шпинделя 12” при указанных выше параметрах термомеханического режима формоизменения.

При этом термической подготовки структуры материала составляющих узла не требуется. Не требуется также и механическая обработка составляющих узла до и после деформации, что обуславливает наименьшую технологическую себестоимость по процессу изготовления запорного органа для шарового крана.

Пример: Запорный орган для шарового крана и способ его изготовления опробован на шаровом кране для воды Ду=100 мм, в качестве уплотнений использовались фторопластовые кольца толщиной 10 мм.

Калиброванную прутковую заготовку диаметром 20 мм получали разрезкой калиброванного прутка (ГОСТ 7417-85) из стали 12Х18 Н 10 Т ГОСТ 5632-72. Штучные заготовки нагревали в электропечи сопротивления КЭП до температуры (650-100°С)±50°С. При нагреве ниже 500°С прочностные свойства незначительно (на 2...3 кг/мм²) повышаются. И при нагреве свыше 600°С прочностные свойства также незначительно повышаются.

В результате прямого выдавливания получен шпиндель с наименьшим диаметром 15 мм и наибольшим диаметром 25 мм, с квадратным участком 15×15 мм, высотой 10 мм на конце, противоположном наименьшему диаметру.

Из половинки кольца диаметром 145 м, шириной 120 мм и толщиной 5 мм в сферической матрице выдавливали полусферу с последующей пробивкой квадратного отверстия (α=15,2 мм) в другой матрице с одного нагрева ((половинку кольца из стали 12Х18Н10Т нагревали до температуры (650-100°C)±50°C)). После чего осуществляли сборку узла в нагретом состоянии в сферической матрице, прикладывая осевое давление. Величина общей деформации (ln λ) составляла 78% (минимальная высота участка шпинделя, размещенного в квадратном отверстии верхней полусферы толщиной 5 мм, составляла 7,5 мм). Скорость деформирования была равна 2 мм/с (гидравлический пресс).

Металлографические исследования зоны соединения показали наличие однородной структуры в приконтактных областях, что обеспечило необходимую прочность и герметичность соединения “тонкостенная полусфера - нижняя часть шпинделя”.

Будучи установленным в корпусе шарового крана в седлах (уплотнениях) предложенный запорный орган, изготовленный по предложенной технологии, работает следующим образом.

В положении крана “ОТКРЫТ” проходные отверстия 5 в сферической пробке 1 совмещаются с входным и выходным отверстиями крана (не показано) и рабочая среда свободно проходит через кран. При этом протечки через место сборки сферической пробки 1 со шпинделем 2 исключены. Поворотом шпинделя 2 на 90° относительно предыдущего положения устанавливают кран в положении “ЗАКРЫТ”, при этом тело пробки 1 перекрывает поток рабочей среды.

Такая конструкция запорного органа и способ его изготовления позволяют резко повысить срок службы и надежность работы как самого запорного органа, так и шарового крана для использования, в котором он предназначен, и, следовательно, снизить эксплуатационные затраты, особенно при бесколодезной установке запорной арматуры.

Источники информации

1. US 4441524 А, 137-625/47, 1984 г.

2. А.С. СССР, 811032, F 16 K 5/06, 1981 г.

3. RU 2156906 С7, F 16 K 5/06, 2000 г.

4. А.С. СССР 620355, В 23 К 20/00, 1978 г.

5. RU 2095672 C1, F 16 K 5/06, 1997 г.

1. Запорный орган для шарового крана, содержащий полую сферическую пробку и сопряженный с ней шпиндель переменного сечения, отличающийся тем, что шпиндель выполнен грибообразной формы с двойной по толщине шляпкой, одна часть которой сопряжена с внешней поверхностью полой сферы, а другая - с внутренней.

2. Запорный орган по п.1, отличающийся тем, что поверхности сопряжения частей шляпки шпинделя соответствуют поверхностям сопряжения полой сферической пробки соответственно.

3. Запорный орган по п.1 или 2, отличающийся тем, что толщина частей шляпки шпинделя соответствует толщине полой сферической пробки в месте сопряжения.

4. Способ изготовления запорного органа для шарового крана, включающий изготовление металлических заготовок сферической пробки и шпинделя с последующей их металлообработкой и сборкой, отличающийся тем, что сборку заготовок пробки и шпинделя осуществляют в нагретом состоянии в температурном интервале (Ac₁-100°C)±50°С, с величиной общей деформации 70...90%, при скорости деформирования, не превышающей 2 мм/с.