ОБРАТНЫЙ ПОВОРОТНЫЙ ЗАТВОР (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая группа изобретений относится к трубопроводной арматуре, предназначенной для перекрытия обратного потока транспортируемой среды в наземных и подземных трубопроводах.

Известен обратный поворотный затвор, защищенный патентом RU 2174633, МПК F16K 15/03, опубл. 10.10.2001. Устройство-аналог содержит корпус с седлом и поворотный запорный диск. Запорный диск связан с помощью рычажно-шарнирной системы со штоком поршневого гидротормоза. Гидротормоз предназначен для обеспечения плавного перемещения запорного диска на закрытие затвора и для гашения удара диска о седло. Корпус гидротормоза закреплен на корпусе затвора.

Недостатком аналога является громоздкость его конструкции, обусловленная наличием пространственной рычажно-шарнирной системы.

Недостаток аналога устранен в конструкции прототипа. Прототипом обоих вариантов осуществления заявляемого изобретения является обратный поворотный затвор с лопастным гидродемпфером, защищенный патентом RU 2217638, МПК F16K 15/03, опубл. 27.05.2003.

Устройство-прототип содержит корпус с седлом, валом, запорным диском и связанное с валом устройство регулирования скорости открытия-закрытия затвора в виде гидродемпфера. Гидродемпфер содержит гидравлический цилиндр с фланцем, крышкой и рабочими полостями переменного объема. Рабочие полости переменного объема образованы в корпусе гидродемпфера разделительными перегородками и поворотными лопастями, заполнены демпферной жидкостью, попарно объединены и сообщаются между собой через дроссельное устройство, с помощью которого осуществляется регулирование скорости закрытия (открытия) затвора. Дополнительный канал перепуска демпферной жидкости между рабочими полостями демпфера имеет регулируемую площадь открытия в зависимости от угла поворота лопастей демпфера: в зонах, близких к закрытому и открытому положениям поворотного запорного диска, она равна нулю.

Недостатком прототипа является низкая герметичность рабочих полостей лопастного гидродемпфера, снижающая точность и эффективность регулирования заданных рабочих параметров затвора.

Заявляемая группа изобретений решает техническую задачу повышения эффективности регулирования скорости закрытия затвора, создания надежного и компактного устройства.

В заявке предлагаются два варианта исполнения обратного поворотного затвора, связанные единым замыслом. Отличие вариантов исполнения затвора заключается в том, что в первом случае устройство регулирования скорости закрытия затвора является гидравлическим, а во втором варианте - механическим. Первый вариант исполнения обратного поворотного затвора предпочтителен для наземного использования, второй - для подземного.

В первом заявляемом варианте исполнения обратный поворотный затвор содержит корпус затвора с седлом, валом, запорным диском и связанное с валом устройство регулирования скорости закрытия затвора. Устройство регулирования скорости содержит гидравлический цилиндр с фланцем, крышкой и рабочими полостями переменного объема, сообщающимися между собой калиброванными каналами с дроссельным клапаном. Рабочие полости переменного объема в гидравлическом цилиндре образованы поршнем, соединенным с валом передачей «винт-гайка». Поршень жестко соединен с гайкой. Вал соединен с винтом. В поршне и в крышке гидравлического цилиндра выполнены центральные сквозные отверстия, в которых установлен резьбовой регулировочный валик, снабженный наружной регулировочной головкой. Калиброванные каналы для сообщения надпоршневой и подпоршневой рабочих полостей выполнены в теле резьбового регулировочного валика, в осевом и в радиальных направлениях, а также в гайке и в ее направляющем стакане. Гидравлический цилиндр снабжен наружной компенсационной полостью, сообщающейся с ним через калиброванные каналы, выполненные в стенке и в крышке гидравлического цилиндра. Дроссельный клапан установлен в калиброванном канале крышки. Параллельно с дроссельным клапаном установлен обратный клапан. Винт передачи «винт-гайка» установлен в гидравлическом цилиндре на подшипнике. Между затвором и устройством регулирования скорости закрытия затвора установлена кулачковая муфта, при этом ведущая полумуфта которой жестко соединена с валом, а ведомая - с винтом передачи «винт-гайка». Между кулачками полумуфт имеется угловой зазор, ориентировочно равный половине предельного угла открытия запорного диска затвора.

Во втором заявляемом варианте исполнения обратный поворотный затвор содержит корпус затвора с седлом, валом, запорным диском и связанное с валом устройство регулирования скорости закрытия затвора, заключенное в цилиндрический корпус. Устройство регулирования скорости включает торцевой упругий узел, торцевой гасящий узел и размещенную между ними передачу «винт-гайка» с самотормозящей винтовой поверхностью. Винт соединен с валом затвора и снабжен поверхностью контакта с торцевым гасящим узлом. Гайка установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль внутренней поверхности цилиндрического корпуса и снабжена торцевой поверхностью контакта с торцевым упругим узлом, расположенной на регулируемом от торцевого упругого узла расстоянии. Торцевой упругий узел включает пружину сжатия.

Торцевой гасящий узел выполнен в виде фрикционной пары «диск-накладка». Фрикционная накладка совмещена с внутренней торцевой поверхностью цилиндрического корпуса. Между фрикционным диском и винтом передачи «винт-гайка» установлена кулачковая муфта, ведущая полумуфта которой соединена с винтом, а ведомая - с фрикционным диском. Поверхность контакта гайки передачи «винт-гайка» с торцевым упругим узлом выполнена на резьбовой втулке, сопряженной с гайкой подвижно в осевом направлении и закрепленной на регулировочном валике, конец которого выведен за пределы цилиндрического корпуса и снабжен регулировочной рукояткой. Винтовая поверхность передачи «винт-гайка» выполнена самотормозящей и многозаходной. Между затвором и устройством регулирования скорости закрытия затвора установлена кулачковая муфта, ведущая полумуфта которой жестко соединена с валом, а ведомая - с винтом передачи «винт-гайка». Между кулачками полумуфт имеется угловой зазор, ориентировочно равный половине предельного угла открытия запорного диска затвора.

Существо заявляемой группы изобретений более подробно разъясняется нижеследующими примерами, подтверждающими возможность осуществления заявляемых вариантов исполнения обратного поворотного затвора, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 а изображен обратный поворотный затвор; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.3 - кулачковая муфта; на фиг.4 - разрез по Б-Б фиг.3; на фиг.5 - устройство регулирования скорости закрытия затвора в разрезе, первый вариант исполнения, обратный поворотный затвор в положении «открыто»; на фиг.6 - вид В фиг.5; на фиг.7 - устройство регулирования скорости закрытия затвора в разрезе, второй вариант исполнения, обратный поворотный затвор в положении «открыто»; на фиг.8 - вид Г фиг.7, на фиг.9 - разрез по Д-Д фиг.8.

Обратный поворотный затвор содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, фланцевыми цапфами 4 и 5 для вала 6, горловиной 7 и съемной крышкой 8. В корпусе 1 установлено съемное седло 9 для запорного диска 10. Запорный диск 10 установлен на валу 6 с помощью рычага 11. Ступица рычага 11 закреплена на валу 6 шпонкой 12. В корпусе 1 выполнен упор 13 для запорного диска 10 в его открытом положении. Вал 6 установлен в антифрикционных втулках 14, 15, 16, 17. К фланцевым цапфам 4 и 5 крепежными деталями 18 и 19 присоединены конструктивно идентичные правая 20 и левая 21 кулачковые муфты. К кулачковым муфтам 20 и 21 крепежными деталями 22 и 23 присоединены конструктивно идентичные устройства 24 и 25 регулирования скорости закрытия затвора. Кулачковая муфта включает ведущую кулачковую полумуфту 26 с опорной втулкой 27 из антифрикционного материала, ведомую кулачковую полумуфту 28 и ограничительную втулку 29. Жесткое соединение ведущей кулачковой полумуфты 26 с валом 6 затвора включает промежуточную втулку 30, стопорные штифты 31 и фиксирующую торцевую планку 32 с крепежными деталями 33. Угол поворота запорного диска 10 на открытие обозначен «α», отрегулированный угловой зазор между соседними кулачками ведущей 26 и ведомой 28 полумуфт обозначен «β».

В первом варианте исполнения устройство 24 регулирования скорости закрытия затвора включает гидравлический цилиндр 34 с фланцем 35 и крышкой 36. Поршень 37 гидравлического цилиндра соединен с ведомой полумуфтой 28 кулачковой муфты передачей «винт-гайка» с многозаходной винтовой поверхностью. Винт 38 передачи «винт-гайка», установленный во фланце 35 с опорой на втулку 39 из антифрикционного материала и на подшипник качения 40, соединен с ведомой кулачковой полумуфтой 28 шпонкой 41. Соединение зафиксировано торцевой планкой 42 и винтами 43. Гайка 44 передачи «винт-гайка» установлена в направляющем стакане 45 и соединена с ним шпонкой 46. Поршень 37 жестко соединен с гайкой 44 винтами 47. Поршень 37 в сборе с гайкой 44 образует в гидравлическом цилиндре 34 полости переменного объема: надпоршневую полость Е, подпоршневые полости Ж, И, К. Гидравлический цилиндр 34 снабжен наружной компенсационной полостью Л постоянного объема, ограниченной гильзой 48. В поршне 37 и в крышке 36 выполнены центральные сквозные отверстия, в которых установлен регулировочный валик 49, снабженный наружной регулировочной головкой. Регулировочный валик 49 закреплен в крышке 36 гидравлического цилиндра 34 с помощью резьбовой втулки 50, винтов 51 и стопорной гайки 52. В крышке 36 выполнено сквозное отверстие 53 для установки манометра 54, осуществляющего измерение давления рабочей жидкости в надпоршневой полости Е. При заполнении гидравлического цилиндра 34 рабочей жидкостью отверстие 53 используется для удаления воздуха из надпоршневой полости Е. На крышке 36 выполнена регулировочная шкала настройки (не показана) угла начала торможения запорного диска 10. В теле резьбового регулировочного валика 49 выполнен осевой калиброванный канал 55 и сообщающиеся с ним радиальные калиброванные каналы 56 для соединения надпоршневой полости Е с подпоршневой полостью Ж. Оси радиальных калиброванных каналов 56 лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси резьбового регулировочного валика 49. В гайке 44 выполнены калиброванные каналы 57 для соединения подпоршневых полостей Ж и И. В направляющем стакане 45 выполнены калиброванные каналы 58 для соединения подпоршневых полостей И и К. В стенке гидравлического цилиндра 34 выполнены калиброванные каналы 59 для соединения подпоршневой полости И с компенсационной полостью Л. В крышке 36 гидравлического цилиндра 34 выполнены калиброванные каналы 60 для соединения компенсационной полости Л с надпоршневой полостью Е. В калиброванном канале 60 параллельно размещены дроссельный клапан 61 и обратный клапан 62. Дроссельный клапан 61 снабжен регулировочной шкалой настройки (не показана) момента торможения запорного диска 10. Поршень 37 уплотнен относительно гидравлического цилиндра 34 поршневым кольцом 63. Устройство регулирования скорости защищено кожухом 64, закрепленным на крышке 36 винтами 65. Рабочий ход поршня 37, соответствующий открытию/закрытию запорного диска 10 на угол (α-β), обозначен «H₁», регулируемое расстояние от наружного торца крышки 36 до осей радиальных калиброванных каналов 56 - «H₂».

Во втором варианте исполнения устройство 24 регулирования скорости закрытия затвора включает корпус, состоящий из фланца 66, цилиндра 67 и крышки 68, торцевой упругий узел, торцевой гасящий узел и передачу «винт-гайка» с многозаходной самотормозящей винтовой поверхностью. Винт 69 установлен во фланце 66 с опорой на втулку 70 из антифрикционного материала и соединен с ведомой кулачковой полумуфтой 28 шпонкой 41. Шпоночное соединение зафиксировано торцевой планкой 71 с крепежными деталями 72. Торцевой упругий узел включает пакет тарельчатых пружин 73. Торцевой гасящий узел выполнен в виде фрикционной пары «диск-накладка». Фрикционная накладка 74 совмещена с внутренней поверхностью фланца 66. Между фрикционным диском 75 и винтом 69 установлена кулачковая муфта, ведущая полумуфта 76 которой соединена с винтом 69 с помощью шпонки 77, а ведомая полумуфта 78 жестко соединена с фрикционным диском 75. Между соседними кулачками полумуфт 76 и 78 выполнен угловой зазор «γ». Гайка 79, имеющая наружную цилиндрическую поверхность, установлена в цилиндре 67 и соединена с ним шпоночным соединением для направленного возвратно-поступательного перемещения. Гайка 79 жестко соединена с подвижным фланцем 80, в котором выполнено центральное резьбовое отверстие. В центральном резьбовом отверстии фланца 80 установлена резьбовая втулка 81 и размещенный внутри нее и соединенный с ней шпонкой 82 регулировочный валик 83. Конец регулировочного валика 83 установлен в крышке 68 корпуса, выведен за пределы корпуса и снабжен регулировочной рукояткой 84, зафиксированной на регулировочном валике 83 стопорным винтом 85. На резьбовой втулке 81 выполнена торцевая поверхность 86 контакта с торцевым упругим узлом в виде пакета тарельчатых пружин 73. Между встречными торцевыми поверхностями подвижного фланца 80 и резьбовой втулки 81 образован зазор «Н₃». Регулируемое расстояние от торцевой поверхности контакта 86 до торцевого упругого узла обозначено «Н₄». На цилиндре 67 нанесена шкала настройки угла начала торможения запорного диска 10, а на регулировочной рукоятке 84 - указатель (не показаны). Устройство регулирования скорости закрытия затвора защищено кожухом 87, закрепленным на фланце 66 винтами 88.

Заявленный обратный поворотный затвор в первом варианте исполнения работает следующим образом.

Устройство 24 заполнено вязкой гидравлической средой.

При отсутствии потока рабочей среды запорный диск 10 под действием собственного веса находится в закрытом положении. Открытие обратного затвора происходит при подаче рабочей среды во входной патрубок 2. Запорный диск 10 поворачивается вместе с рычагом 11, открывая проход рабочей среде в выходной патрубок 3. В открытом положении запорный диск 10 прижат рабочей средой к упору 13.

Поворот запорного диска 10 и рычага 11 через шпонку 12 передается на вал 6. Жестко соединенная с валом 6 ведущая кулачковая полумуфта 26 поворачивается вместе с валом 6. Ее поворот в пределах угла α, соответствующего величине отрегулированного углового зазора β между кулачками ведущей полумуфты 26 и ведомой полумуфты 28 (α≤β), не вызывает передачи крутящего момента на ведомую полумуфту 28.

При дальнейшем повороте запорного диска 10 и рычага 11 на открытие затвора (α>β) вращение ведущей кулачковой полумуфты 26 передается на ведомую кулачковую полумуфту 28, связанную шпонкой 41 с винтом 38. Вращение винта 38 при этом преобразуется в поступательное перемещение гайки 44 вдоль направляющего стакана 43. Вязкая гидравлическая среда из подпоршневой полости К внутри направляющего стакана 45 перетекает через калиброванные каналы 58 в подпоршневую полость И, далее через калиброванные каналы 59 - в наружную компенсационную полость Л, где создается избыточное давление. Под давлением гидравлической среды открывается обратный клапан 62 в калиброванном канале 60, через который гидравлическая среда беспрепятственно перетекает в надпоршневую полость Е. Таким образом, открытие обратного затвора от прямого потока происходит без сопротивления со стороны устройства 24 регулирования скорости закрытия затвора.

С прекращением прямого потока рабочей среды обратный затвор закрывается под действием силы тяжести запорного диска 10 и обратного потока рабочей среды. Запорный диск 10 поворачивается вместе с рычагом 11 и валом 6 в обратную сторону. Аналогично, при повороте запорного диска 10 в пределах угла α, соответствующего величине отрегулированного углового зазора β между кулачками ведущей 26 и ведомой 28 полумуфт (α≤β), передачи крутящего момента с ведущей полумуфты 26 на ведомую полумуфту 28 не происходит. Закрытие обратного затвора на этом этапе происходит без торможения. После выборки углового зазора (α=β) ведущая 26 и ведомая 28 полумуфты вступают во взаимодействие и дальнейшее вращение при α>β от вала 6 передается на винт 38. Вращение винта 38 преобразуется в поступательное перемещение гайки 44 и жестко связанного с ней поршня 37.

Вязкая гидравлическая среда из уменьшающейся в объеме надпоршневой полости Е перетекает через радиальные калиброванные каналы 56 и осевой калиброванный канал 55 в увеличивающуюся в объеме подпоршневую полость Ж и далее через калиброванные каналы 57 - в увеличивающуюся в объеме подпоршневую полость И. Давление в сообщающихся подпоршневых полостях Ж, И, К выравнивается.

Гайка 44 совместно с поршнем 37 преодолевает расстояние до радиальных калиброванных каналов 56. После того как движущийся поршень 37 перекрывает радиальные калиброванные каналы 56 в резьбовом регулировочном валике 49, давление в надпоршневой полости Е начинает значительно возрастать и оказывать сопротивление дальнейшему продвижению поршня 37 и повороту винта 38, связанных с ним полумуфт 26 и 28, вала 6 и запорного диска 10. Создаваемый при этом на валу 6 тормозной момент снижает скорость посадки запорного диска 10 на седло 9. Величина тормозного момента увеличивается с уменьшением объема надпоршневой полости Е. При этом гидравлическая среда перетекает из надпоршневой полости Е в компенсационную полость Л через калиброванный канал 60 в крышке 36 и установленный в нем дроссельный клапан 61. При дросселировании гидравлической среды в затворе дроссельного клапана 61 энергия движения запорного диска 10, поглощенная вязкой гидравлической средой, расходуется на преодоление сопротивления дросселя, преобразуется в тепловую энергию и рассеивается в пространстве. Настройкой проходного сечения в дроссельном клапане 61 регулируют скорость перетекания среды через калиброванный канал 60 и, соответственно, величину момента торможения запорного диска 10.

Регулирование угла начала торможения запорного диска осуществляют изменением расстояния «H₁» от плоскости расположения осей радиальных калиброванных каналов 56 до крышки 36. Для этого вращают наружный регулировочный валик 49 в соответствии со шкалой настройки. Регулировочный валик 49 смещается в осевом направлении относительно крышки 36 гидравлического цилиндра 34. Расстояние H₁ изменяется. Регулировочный валик 49 фиксируется стопорной гайкой 52.

Угол растормаживания устройства регулирования скорости закрытия обратного затвора равен величине углового зазора β между соседними кулачками ведущей 26 и ведомой 28 полумуфт кулачковой муфты. Предпочтительно угол растормаживания конструктивно задавать равным половине максимального угла открытия затвора β≈0,5 α_max. При этом снижение скорости движения запорного диска 10 начинается при максимальном скоростном напоре рабочей среды в затворе.

Заявленный обратный поворотный затвор во втором варианте исполнения работает следующим образом.

При отсутствии потока рабочей среды запорный диск 10 под действием собственного веса находится в закрытом положении. Открытие обратного затвора происходит при подаче рабочей среды во входной патрубок 2. Запорный диск 10 поворачивается вместе с рычагом 11, открывая проход рабочей среде в выходной патрубок 3. В открытом положении запорный диск 10 прижат рабочей средой к упору 13.

Поворот запорного диска 10 и рычага 11 через шпонку 12 передается на вал 6. Жестко соединенная с валом 6 ведущая кулачковая полумуфта 26 поворачивается вместе с валом 6. Ее поворот в пределах угла α, соответствующего величине отрегулированного углового зазора β между кулачками ведущей полумуфты 26 и ведомой полумуфты 28 (α≤β), не вызывает передачи крутящего момента на ведомую полумуфту 28.

При дальнейшем повороте запорного диска 10 и рычага 11 на открытие затвора (α>β) вращение ведущей кулачковой полумуфты 26 передается на ведомую кулачковую полумуфту 28, связанную шпонкой 41 с винтом 69. Вращение винта 69 при этом преобразуется в поступательное перемещение гайки 79 вдоль направляющего цилиндра 67. Таким образом, открытие обратного затвора от прямого потока происходит без существенного сопротивления со стороны устройства 24 регулирования скорости закрытия затвора.

С прекращением прямого потока рабочей среды обратный затвор закрывается под действием силы тяжести запорного диска 10, а также от воздействия обратного потока рабочей среды при его наличии. Запорный диск 10 поворачивается вместе с рычагом 11 и валом 6 в обратную сторону. Аналогично, при их повороте в пределах угла α, соответствующего величине отрегулированного углового зазора β между кулачками ведущей 26 и ведомой 28 полумуфт, передачи крутящего момента на ведомую полумуфту 28 не происходит. Закрытие обратного затвора на этом этапе происходит без торможения. После выборки углового зазора (α=β) ведущая 26 и ведомая 28 полумуфты вступают во взаимодействие и дальнейшее вращение при α>β от вала 6 передается на винт 69. Вращение винта 69 преобразуется в поступательное перемещение гайки 79 по направлению к торцевому упругому узлу. Трение в многозаходной самотормозящей резьбе передачи «винт-гайка» создает сопротивление вращению винта 69 и затормаживает движение запорного диска 10 на закрытие. Резьбовая втулка 81 преодолевает настраиваемый зазор H₄ и вступает своей поверхностью контакта 86 в соприкосновение с тарельчатой пружиной 73. На завершающем участке поворота запорного диска 10 в пределах значений угла 0°<α<7° торможение гайки 79 усиливается сопротивлением упругого узла в виде пакета тарельчатых пружин 73. Создаваемый при этом на валу 6 тормозной момент снижает скорость посадки запорного диска 10 на седло 9. Величина тормозного момента увеличивается с увеличением степени сжатия тарельчатых пружин 73 и через винт 69 передается на фрикционную пару «диск 75 - накладка 74». Энергия движения запорного диска 10 поглощается при упругой деформации пакета тарельчатых пружин 73, при трении в передаче «винт 69 - гайка 79» и при трении фрикционного диска 75 о фрикционную накладку 74.

Величина момента торможения запорного диска 10 настраивается подбором силовых характеристик тарельчатых пружин 73. Настройка угла начала торможения осуществляется изменением расстояния Н₄ от торцевой поверхности 86 контакта резьбовой втулки 81 до пакета тарельчатых пружин 73 в свободном состоянии. Этого достигают вращением регулировочной рукоятки 84 регулировочного валика 83 в соответствии со шкалой настройки. Резьбовая втулка 81 при этом смещается в осевом направлении относительно подвижного фланца 80 в пределах зазора Н₃.

Угол растормаживания выбирают равным половине максимального угла открытия затвора β≈0,5 α.

Наличие кулачковой муфты между винтом 69 передачи «винт-гайка» и фрикционным диском 75 позволяет исключить препятствие со стороны фрикционной пары «диск 75 - накладка 74» открытию запорного диска 10 от прямого потока рабочей среды.

Заявленная группа изобретений позволяет повысить компактность обратного поворотного затвора, надежность его работы, увеличить его ресурс.