Результат интеллектуальной деятельности: ДОЗАТОР ОБЪЕМНОГО ТИПА ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ

Изобретение относится к области объемного дозирования жидкостей, преимущественно вязких, в том числе взрывоопасных, применяемых в производстве смесевых твердых ракетных топлив. Дозатор может применяться и в других отраслях химической промышленности, где требуется дозировка вязких жидкостей.

Дозируемая жидкость - это смесь полимерного связующего с вязкостью 10 Па·с (100 пуаз) и более с порошкообразным металлическим наполнителем, а в ряде случаев с порошкообразным взрывчатым веществом, например октогеном. Такая жидкость имеет высокую адгезию к металлическим поверхностям и в то же время высокие абразивные свойства, что приводит к относительно быстрому износу уплотнений рабочих органов дозатора.

Известные насосы-дозаторы для жидкостей, например, плунжерные и диафрагменные с шариковыми клапанами для указанных целей не пригодны из-за значительной вязкости жидкости, а также из-за наличия в них металлического наполнителя. А при наличии в составе жидкости взрывчатого вещества недопустимо применять насосы с парами трения "металл-металл". При этом клапаны в виде шариков и им подобных в среде вязкой жидкости не обеспечивают надежного перекрытия каналов всасывания-нагнетания.

Известен дозатор объемного типа для вязких жидкостей. Дозатор разработан предприятием АНИИХТ г.Бийск Алтайского края. Предназначен дозатор для дозирования связующего на фазе приготовления топливной массы для твердотопливных ракетных двигателей.

Дозатор схематически изображен на Фиг.1. Дозатор состоит из дозирующего цилиндра 1, поршня 2, штоков 3, распределительного устройства 4 в виде конического пробкового крана. Штоки 3 проходят через уплотнения торцовых крышек дозирующего цилиндра 1. Пробка крана 11 распределительного устройства 4 имеет два положения и поворачивается в заданное положение с помощью привода 12. Левая полость дозирующего цилиндра соединена с распределительным устройством 4 каналом 7, а правая - каналом 9. Подвод исходной жидкости в дозатор производится по каналу 8, отвод отдозированных порций - по каналу 10. Рабочий ход поршня 2 регулируется в зависимости от требуемой величины дозы ограничителем и контролируется концевыми выключателями 5 и 6.

Дозатор работает следующим образом. В исходном состоянии поршень 2 находится в левом положении. Пробка 11 распределительного устройства 4 соединяет каналы 7 и 8. Из расходной емкости жидкость насосом нагнетается в левую полость дозирующего цилиндра. Под ее давлением поршень 2 перемещается в правое положение. Когда левая полость полностью заполняется жидкостью, доза набрана. Концевой выключатель 6 дает сигнал на переключение пробки 11 распределительного устройства 4 против часовой стрелки. В результате канал 8 соединяется с каналом 9, исходная жидкость насосом нагнетается в правую полость дозирующего цилиндра 1. При этом канал 7 соединяется с каналом 10 и набранная доза из левой полости выдается в последующий технологический аппарат. Таким образом, в то время, как в правую полость производится набор следующей дозы, из левой выдается готовая доза. Когда поршень 2 со штоком 3 переместится в левое положение, концевой выключатель 5 дает сигнал на поворот пробки 11 устройства 4 по часовой стрелке и далее цикл повторяется. Каналы 7 и 8 соединяются, также соединяются каналы 9 и 10. Левая полость внешним насосом заполняется исходной жидкостью, а готовая доза из правой полости цилиндра выдается в последующий аппарат.

Этот дозатор принят в качестве прототипа. К недостаткам прототипа относятся следующие.

Неконтролируемые перетоки дозируемой жидкости через неплотности пар трения. Основные перетоки происходят в дозирующем цилиндре через уплотнения поршня. При износе уплотнений перетоки увеличиваются. Увеличивается погрешность дозирования. То же самое происходит в конической паре трения "корпус-пробка" распределительного устройства 4. Узлы уплотнений в торцовых крышках, где перемещаются штоки 3, имеют те же недостатки - износ и утечки. Кроме перечисленного, необходимо отметить невозможность применения распределительного устройства в виде пробкового крана при работе со связующим, содержащим ВВ, т.к. при такой конструкции практически невозможно поддерживать заданный безопасный уровень давления на поверхности контакта в конической паре трения "корпус-пробка".

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка объемного дозатора с повышенной надежностью за счет контроля утечек, а также обеспечение безопасности работы дозатора при дозировании вязких жидкостей, содержащих взрывчатые вещества за счет применения распределительного устройства с безопасными параметрами.

Технический результат достигается тем, что в дозаторе, состоящем из дозирующего цилиндра с поршнем и штоком, а также из распределительного устройства с каналами набора и выдачи дозы, дозирующий цилиндр снабжен приводом выдачи дозы, поршень которого установлен соосно с поршнем дозирующего цилиндра на общем штоке. В дозирующем и приводном цилиндрах имеются буферные полости, между которыми установлен стыковочный фланец с уплотнением общего штока и дренажным каналом со стороны буферной полости дозирующего цилиндра. К выходному отверстию дренажного канала установлен легкосъемный прозрачный контрольный стакан, что позволяет во время работы дозатора наблюдать наличие или отсутствие утечки дозируемой жидкости через уплотнение поршня дозирующего цилиндра, а при необходимости вести количественный контроль утечки с оценкой его влияния на погрешность дозирования.

Поршень дозирующего цилиндра со стороны буферной полости снабжен цилиндрической юбкой с кольцевыми проточками, что предотвращает попадание просачивающейся через уплотнения поршня дозируемой жидкости на шток и соответственно в уплотнение штока в стыковочном фланце. Жидкость при наличии такой юбки стекает по кольцевым канавкам в нижний сектор буферной полости дозирующего цилиндра - в зону входного отверстия дренажного канала. Наружный диаметр юбки составляет 0,8...0,9 от внутреннего диаметра дозирующего цилиндра.

Распределительное устройство выполнено в виде двух одинаковых тарельчатых клапанов с приводами, а давление уплотнительных элементов в плоскости контакта тарелок с соответствующими седлами настраивается с учетом чувствительности взрывоопасной дозируемой жидкости с коэффициентом запаса в соответствии с зависимостью:

P_к≤Р_доп/К,

где P_к - давление в плоскости контакта;

P_доп - допустимое давление, зависящее от чувствительности жидкости, содержащей взрывчатое вещество;

К - коэффициент запаса, задаваемый из условий безопасности работы.

Таким образом, снижение в рабочих зонах дозатора количества пар трения, контактирующих с дозируемой жидкостью, снижает утечки, повышает надежность дозатора, а выполнение распределительного устройства в виде тарельчатых клапанов с настраиваемым давлением в плоскости контакта тарелок с седлом позволяет обеспечить безопасное дозирование жидкости, содержащей взрывчатое вещество.

Введение в конструкцию дозатора буферных полостей и дренажного канала с контрольным устройством также повышает надежность и безопасность дозатора.

На повышение надежности и безопасности направлено также конструктивное усовершенствование поршня дозирующего цилиндра, где со стороны буферной полости поршень имеет цилиндрическую юбку с внешним диаметром 0,8...0,9 от внутреннего диаметра дозирующего цилиндра. На юбке выполнены цилиндрические канавки, что предотвращает стекание жидкости с внутренней поверхности цилиндра на шток и соответственно предотвращает попадание жидкости в уплотнение штока в стыковочном фланце.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 схематично изображен дозатор, принятый за прототип.

На Фиг.2 изображен предлагаемый дозатор.

Дозатор объемного типа для жидкостей (Фиг.2) состоит из дозирующего цилиндра 1 с поршнем 2, распределительного устройства 4 с каналами набора 8 и выдачи 10. Дозатор снабжен приводным гидроцилиндром 17 выдачи дозы. Поршень 2 дозирующего цилиндра и поршень 16 приводного гидроцилиндра установлены соосно на одном штоке 3. Свободный конец штока 3 взаимодействует с концевыми выключателями 5 и 6 в крайних положениях хода поршня дозирующего цилиндра. Между дозирующим и приводным цилиндрами установлен стыковочный фланец 15. В нижнем секторе стыковочного фланца 15, где к нему подсоединяется дозирующий цилиндр, во фланце выполнен дренажный канал 18. К выходному отверстию дренажного канала на стыковочный фланец 15 закрепляется устройство контроля утечек. Это устройство состоит из скобы 20, прозрачного контрольного стакана 19 и подпружиненного штока 21, поддерживающего стакан 19 поджатым к выходному отверстию дренажного канала 18.

Для предотвращения контакта дозируемой жидкости с рабочей жидкостью гидропривода в конструкции дозатора предусмотрено их дополнительное разделение с помощью буферных полостей. Это полость А в дозирующем цилиндре и полость Б в цилиндре гидропривода.

Поршень 2 дозирующего цилиндра со стороны буферной полости А снабжен цилиндрической юбкой 14 с кольцевыми проточками-канавками. Диаметр юбки составляет 0,8...0,9 от внутреннего диаметра дозирующего цилиндра 1.

Распределительное устройство 4 установлено на выходном торце дозирующего цилиндра 1. Устройство состоит из двух одинаковых клапанов 11 и 11^a с приводными гидроцилиндрами 12 и 12^a, а также системы распределительных каналов 7, 8, 9, 10. Клапаны тарельчатого типа с полимерными уплотнительными элементами 22. Для предотвращения попадания дозируемой жидкости в уплотнения штоков гидроцилиндров 12 и 12^a предусмотрены защитные диафрагмы 13.

Дозатор работает следующим образом. Исходное положение механизмов дозатора показано на Фиг.2. Поршень 2 дозирующего цилиндра находится в крайнем левом положении. Клапаны 11 и 11^a закрыты. По сигналу от системы управления начинается цикл работы дозатора. При этом открывается клапан 11 и через каналы 8 и 7 из расходной емкости насосом в дозирующий цилиндр 1 нагнетается дозируемая жидкость, перемещая поршень 2 вправо до того, как шток 3 достигнет упора. Положение упора устанавливается предварительно в зависимости от заданной величины дозы. При достижении штоком 3 правого положения срабатывает концевой выключатель 6 и по его сигналу клапан 11 закрывается. Набор дозы закончен. После этого открывается клапан 11^a, в правую полость приводного гидроцилиндра под давлением подается масло от маслостанции. Поршень 16 приводного гидроцилиндра начинает перемещаться влево, перемещая одновременно шток 3 и закрепленный на штоке поршень 2 дозирующего цилиндра 1. Доза жидкости выдается из цилиндра 1 через открытый клапан 11^a и каналы 9 и 10 в последующий технологический аппарат. Доза будет полностью выдана, когда поршень 2 достигнет крайнего левого положения. Срабатывает концевой выключатель 5 и дает сигнал на закрытие клапана 11^a. Через заданное время система управления дает сигнал на начало нового цикла. Далее циклы дозирования повторяются аналогично приведенному выше.

При работе дозатора реализуется контроль утечек через уплотнение поршня 2. Необходимо отметить, что проблема утечек (перетоков) через уплотнения является характерной для плунжерных или поршневых насосов и дозаторов. Здесь играют роль несколько факторов. Во-первых, при каждом рабочем ходе набора дозы происходит смачивание дозируемой жидкостью внутренней поверхности цилиндра на длине рабочего хода. Какие бы ни были уплотнения на поршне, они не в состоянии полностью снять эту пленку при обратном ходе поршня (при выдаче дозы).Таким образом, при многократном ходе поршня 2 в буферной полости цилиндра происходит постепенное накопление жидкости. Жидкость накапливается в нижнем секторе буферной полости А дозирующего цилиндра 1. Во-вторых, из-за абразивного износа уплотнений поршня через какой-то промежуток времени начинается процесс перетока некоторой части дозируемой жидкости через увеличившийся при износе зазор между уплотнением поршня 2 и цилиндром 1 в буферную полость А.

Наличие в стыковочном фланце 15 дренажного канала 18 и прозрачного легкосъемного стакана 19 позволяет в любое время технологического цикла обнаружить не только сам факт утечки, но и оценить ее количественно. Для количественной оценки величины утечки обслуживающий персонал может снять стакан 19 и взвесить количество скопившейся в нем жидкости. Имея такой контроль, не составляет труда оценить допустимость утечки в зависимости от заданной точности дозирования и принять решение о продолжении работы или о замене изношенных уплотнений поршня 2. Такой контроль позволяет повысить качество продукции и исключить потери от брака изделий по химсоставу. Наличие в конструкции поршня 2 со стороны буферной полости А цилиндрической юбки с диаметром 0,8...0,9 от диаметра дозирующего цилиндра с несколькими кольцевыми проточками-канавками обеспечивает защиту поверхности штока 3 от попадания на его поверхность стекающей при движении поршня вправо частично снимаемого слоя жидкости с цилиндра и обеспечивает сток жидкости по проточкам непосредственно в нижний сектор цилиндра 1 в полость А, облегчая попадание ее в дренажный канал 18 и, соответственно, в контрольный стакан 19.

Выполнение распределительного устройства в виде тарельчатых клапанов позволяет открывать и закрывать каналы подачи и выдачи жидкости без трения. При этом давление воздействия полимерных уплотнителей клапанов на дозируемую жидкость при закрывании и контакте с плоским металлическим седлом настраивается регулировкой подачи масла в приводные гидроцилиндры клапанов. При этом настройку проводят в соответствии с зависимостью:

P_к≤Р_доп/К,

где P_к - давление в плоскости контакта;

Р_доп - допустимое давление, зависящее от чувствительности жидкости, содержащей взрывчатое вещество;

К - коэффициент запаса, задаваемый из условий безопасности работы.

Опытно-промышленный образец дозатора прошел испытания в производственных условиях с хорошими результатами.

Планируется внедрение дозатора в производство в 2005 году.