предохранительно-подпиточный клапан модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений

Формула изобретения

1. Предохранительно-подпиточный клапан модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений, содержащий корпус, выполненный в виде ступенчатой полой втулки с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, радиальными отводящими и центральным подводящим каналами, основной, подпиточный и вспомогательный запорные органы, внутреннюю камеру и радиальные отверстия для соединения с полостью слива, при этом основной запорный орган снабжен цилиндрическими и конической частями и осевым дроссельным отверстием, а вспомогательный запорный орган - конусообразной уплотняющей поверхностью и наружным кольцевым уступом (буртом), воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента клапана, отличающийся тем, что предохранительно-подпиточный клапан, включающий в себя основной, подпиточный и вспомогательный запорные органы, образован в виде блока-модуля с возможностью встраивания его непосредственно в корпус гидропривода и автономной отработки всех параметров клапана и сформирован в виде соосно размещенных в центральном канале корпуса двух последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления основным, подпиточным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа "клапан-седло" с общей камерой командного давления, герметично размещенной между указанными устройствами, с возможностью сообщения ее через дроссель с источником управляющего давления, устройство управления основным и подпиточным запорными органами состоит из корпуса с основным седлом, с входной и сливной полостями и разделяющих эти полости основного и подпиточного запорных органов, подпружиненных относительно устройства управления вспомогательным запорным органом и конструктивно и функционально объединенных и выполненных за одно целое в виде плунжера с внутренней сквозной ступенчатой расточкой, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющей расточке корпуса и одновременного контакта и взаимодействия конической уплотняющей части с седлом входного канала корпуса, а внутренней расточки большей ступени - с уплотненной поршневой частью корпуса вспомогательного запорного органа, неподвижно закрепленного в резьбовой расточке корпуса, устройство управления вспомогательным запорным органом конструктивно и функционально образовано в виде отдельного блока-модуля с возможностью встраивания в резьбовую расточку корпуса с образованием кольцевой полости слива и траектории прохождения проводимой среды в одном направлении, устройство содержит корпус, выполненный в виде уплотненной по установочным поверхностям резьбовой втулки с направляющей поршневой цилиндрической частью и разделяющей наружной кольцевой проточкой с радиальными сквозными каналами, внутри втулки выполнены ступенчатая цилиндрическая расточка с участком резьбовой поверхности, в расточке меньшей ступени образовано седло, а в расточке большей ступени размещен вспомогательный запорный орган с конусной уплотняющей поверхностью с возможностью одновременного контакта конической части с седлообразной поверхностью втулки, а периферийной поверхности кольцевого уступа (бурта) - с поверхностью расточки большей ступени, при этом на периферийной поверхности кольцевого уступа выполнены продольные сквозные, равномерно расположенные по окружности полуцилиндрические расточки, глубина которых расположена вне зоны контакта конусной поверхности запорного органа с седлом резьбовой втулки.

2. Предохранительно-подпиточный клапан по п.1, отличающийся тем, что диаметры сопряжений основного запорного органа с поршневой частью корпуса вспомогательного устройства управления и с корпусом по седлу клапана выбраны в соответствии с соотношением

Dp/Dck-1, 14...1,22,

где Dp - уплотняемый диаметр внутренней расточки основного запорного органа, мм;

Dck - диаметр уплотняющей кромки седла корпуса клапана, мм,

а между наружной поверхностью основного запорного органа и соответствующей поверхностью расточки корпуса клапана образован гарантированный кольцевой зазор для сообщения кольцевой наружной полости втулки вспомогательного запорного органа с радиальными отводящими каналами слива в корпусе предохранительно-подпиточного клапана.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и промышленного арматуростроения, в частности к объемным гидроприводам гидравлических систем строительных и дорожных машин, и предназначено для предохранения этих систем от перегрузок высоким (избыточным) давлением.

Известен подпиточно-предохранительный клапан (клапан) для силовых гидроприводов, содержащий основной клапан, управляющий клапан, дроссель и винтовую пару. Основной клапан поджат пружиной к рабочей кромке в корпусе. Управляющий клапан поджат силовой пружиной, а дроссельное радиально расположенное отверстие, выполненное в основном клапане, соединяет надклапанную полость основного клапана с надклапанной полостью вспомогательного клапана (см. патент RU 2145023 C1 F 16 K 17/10, опубликованный 27.01.2000 г.).

Достоинством известного клапана является то, что он отличается простотой конструкции и компактностью исполнения, достигнутыми в основном вследствие размещения деталей клапана непосредственно в ступенчатой цилиндрической расточке корпуса силового гидропривода.

Для обеспечения работоспособности указанного клапана сопрягаемые между собой поверхности расточки корпуса и основного клапана по большей его ступени должны быть уплотнены. Отсутствие уплотнительного элемента в известной конструкции предполагает, например, комплектование этих деталей по указанным выше поверхностям с очень малыми зазорами. Учитывая, что при этом еще должно быть достигнуто плотное прилегание клапана к седлу корпуса, выполнение упомянутых требований связано с необходимостью изготовления указанных деталей с высокой точностью.

С другой стороны, высокая точность изготовления сопрягаемой пары во многом обуславливает и большую вероятность "заклинивания" или "затяжеления" перемещения основного клапана в процессе работы, например в случае возможного загрязнения рабочей жидкости, что может привести к отказу клапана, чем существенно снижается его надежность. Недостатками известного клапана являются также низкая чувствительность и недостаточное быстродействие, вызванные значительной величиной дифференциальной рабочей площади основного клапана, приводящей к большой разнице между давлениями открытия и закрытия клапана, значительной величине гистерезиса и соответственно к перегрузкам систем гидропитания и непроизводительным перетокам рабочей среды.

Кроме этого, в известном клапане не исключена возможность возникновения автоколебаний (вибраций) основного клапана, особенно в клапанах с большими расходами, в связи с тем, что вход потока рабочей жидкости под давлением в полость корпуса осуществляется через боковое отверстие, а выход - через центральное отверстие ступенчатой расточки корпуса. В этом случае возникают значительные радиальные составляющие активных сил потока, действующих на основной запорный орган, и происходят скачкообразные изменения расхода проводимой среды, вследствие чего эксплуатационные характеристики клапана, его надежность и долговечность существенно ухудшаются.

Другим недостатком клапана является неудобство технического обслуживания и регулирования параметров вспомогательного запорного (управляющего) клапана из-за необходимости съема крышки клапана и вынужденной разгерметизации его внутренних полостей.

Известен также предохранительный клапан со встроенным подпиточным клапаном, содержащий корпус с полостями подвода и слива, втулку, закрепленную на ней посредством стопорного кольца крестообразную пластину, основной и вспомогательный запорный органы и подпружиненный относительно указанной пластины подпиточный запорный орган с осевым центральным дроссельным отверстием, снабженный цилиндрической и конической частями (см. патент RU 2011915 С1 5 F 16 K 17/10, опубликованный 30.04.1994 г., бюл. №8). Этот клапан отличается конструктивной сложностью и нетехнологичностью из-за необходимости обеспечения не только точности изготовления, а и строгой соосности взаимодействующих между собой деталей, установленных в многоступенчатой расточке корпуса с резьбовым участком. Сложность конструкции во многом определяется встроенной в проточной части втулки с основным седлом узла подпиточного клапана со своими элементами крепления и установочной пружиной сжатия, а также несовершенной системой проводки каналов, сообщающих внутреннюю камеру вспомогательного запорного органа с полостью слива корпуса клапана.

К недостатку указанного клапана следует отнести еще и то, что его корпус снабжен привалочной (установочной) плоскостью. Для использования таких клапанов в гидроприводах требуется соблюдение высокой точности изготовления установочной поверхности и выполнения жестких требований к ее шероховатости. Монтаж известных клапанов в гидропривод существенно увеличивает массу и габариты последнего. В совокупности указанные недостатки клапана ограничивают его применение в гидроприводах строительно-дорожной техники.

Из числа известных аналогов заявляемого технического решения ближайшим аналогом (прототипом) является предохранительный клапан со встроенным подпиточным клапаном (клапан) (см. свидетельство на полезную модель RU 37173 U1 F 16 K 17/10, опубликованное 10.04.2004 г.).

Известный клапан содержит максимальное количество сходных с заявляемым клапаном конструктивных признаков, а именно: оба клапана содержат корпус, выполненный в виде ступенчатой полой втулки с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, радиально отводящими и центральным подводящим каналами, основной, вспомогательный и подпиточный запорные органы, внутреннюю камеру и радиальные отверстия для соединения с полостью слива, при этом основной запорный орган снабжен цилиндрическими и конической частями и осевым дроссельным отверстием, а вспомогательный запорный орган - конусообразной уплотняющей поверхностью и наружным кольцевым уступом (буртом), воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента клапана.

Достоинством известного клапана является то, что он выполнен в едином блоке с возможностью встраивания непосредственно в резьбовую расточку корпуса гидропривода, чем значительно уменьшаются его габариты и масса, обеспечивается высокая герметичность по отношению к внешней среде и возможность удобной регулировки выходных параметров клапана.

Однако известный клапан отличается конструктивной сложностью и вследствие этого избыточной трудоемкостью. Наличие в конструкции клапана большого количества взаимодействующих между собой узлов и деталей в совокупности снижают надежность клапана и его эксплуатационные качества. Кроме этого, конструкцией клапана не предусмотрена возможность автономной отработки характеристик вспомогательного (управляющего) клапана, а отсутствие во вспомогательном запорном органе направляющей части, как показывает практика, вызывает широкий разброс характеристик по герметичности и недопустимый неравномерный износ уплотняющей кромки в направляющей втулке.

В связи с особенностями работы клапана к его конструкции наряду с традиционными предъявляются ряд дополнительных специальных требований, например по компактности исполнения, габаритно-массовому совершенству, удобству монтажа и демонтажа, технического обслуживания и безопасности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание такой конструкции предохранительно-подпиточного клапана (клапана), которая сочетает возможности и достоинства известных клапанов, но имеет при этом более простую, надежную и технологичную конструкцию клапана с одновременным достижением других технико-экономических показателей:

- легкое встраивание клапана в корпус гидропривода,

- обеспечение автономной отработки параметров вспомогательного (управляющего) запорного органа,

- конструктивное упрощение системы отвода рабочей среды из камеры вспомогательного запорного органа,

- обеспечение более жесткой ориентации вспомогательного запорного органа (в размещенной камере) с целью улучшения и стабилизации параметров по герметичности,

- повышение чувствительности клапана и снижение гистерезисных явлений на переходных режимах.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом предохранительно-подпиточном клапане модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений (предохранительно-подпиточный клапан), содержащем корпус, выполненный в виде ступенчатой полой втулки с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, радиальными отводящими и центральным подводящим каналами, основной, подпиточный и вспомогательный запорные органы, внутреннюю камеру и радиальные отверстия для соединения с полостью слива, при этом основной запорный орган снабжен цилиндрическими и конической частями и осевым дроссельным отверстием, а вспомогательный запорный орган - конусообразной уплотняющей поверхностью и наружным кольцевым уступом (буртом), воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента клапана, согласно изобретению предохранительно- подпиточный клапан, включающий в себя основной, подпиточный и вспомогательный запорные органы, образован в виде блока-модуля с возможностью встраивания его непосредственно в корпус гидропривода и автономной отработки всех параметров клапана и сформирован в виде соосно размещенных в центральном канале корпуса двух последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления основным, подпиточным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа "клапан-седло", с общей камерой командного давления, герметично размещенной между указанными устройствами, с возможностью сообщения ее через дроссель с источником управляющего давления, устройство управления основным и подпиточным запорными органами состоит из корпуса с основным седлом, с входной и сливной полостями и разделяющих эти полости основного и подпиточного запорных органов, подпружиненных относительно устройства управления вспомогательным запорным органом и конструктивно и функционально объединенных и выполненных за одно целое в виде плунжера с внутренней сквозной ступенчатой расточкой, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющей расточке корпуса и одновременного контакта и взаимодействия конической уплотняющей части с седлом входного канала корпуса, а внутренней расточки большей ступени - с уплотненной поршневой частью корпуса вспомогательного запорного органа, неподвижно закрепленного в резьбовой расточке корпуса, устройство управления вспомогательным запорным органом конструктивно и функционально образовано в виде отдельного блока-модуля с возможностью встраивания в резьбовую расточку корпуса с образованием кольцевой полости слива и траектории прохождения проводимой среды в одном направлении, устройство содержит корпус, выполненный в виде уплотненной по установочным поверхностям резьбовой втулки с направляющей поршневой цилиндрической частью и разделяющей наружной кольцевой проточкой с радиальными сквозными каналами, внутри втулки выполнены ступенчатая цилиндрическая расточка с участком резьбовой поверхности, в расточке меньшей ступени образовано седло, а в расточке большей ступени размещен вспомогательный запорный орган с конусной уплотняющей поверхностью с возможностью одновременного контакта конической части с седлообразной поверхностью втулки, а периферийной поверхности кольцевого уступа (бурта) - с поверхностью расточки большей ступени, при этом на периферийной поверхности кольцевого уступа выполнены продольные сквозные равномерно расположенные по окружности полуцилиндрические расточки, глубина которых расположена вне зоны контакта конусной поверхности запорного органа с седлом резьбовой втулки,

согласно изобретению, диаметры сопряжении основного запорного органа с поршневой частью корпуса вспомогательного устройства управления и с корпусом по седлу клапана выбраны в соответствии с соотношением:

- Dp/Dск=1, 14...1, 22,

где - Dp - уплотняемый диаметр внутренней расточки основного запорного органа, мм,

- Dск - диаметр уплотняющей кромки седла корпуса клапана, мм,

а между наружной поверхностью основного запорного органа и соответствующей поверхностью расточки корпуса клапана образован гарантированный кольцевой зазор для сообщения кольцевой наружной полости втулки вспомогательного запорного органа с радиальными отводящими каналами слива в корпусе предохранительно-подпиточного клапана.

Предложенное техническое решение обладает преимуществом по сравнению с аналогом-прототипом и другими известными решениями, обеспечивающим достижение поставленной цели - повышение надежности, технико-экономических и эксплуатационных качеств предохранительно-подпиточного клапана за счет:

- выполнения клапана в виде блока-модуля, отличающегося более высокой технологичностью и возможностью легкой встройки непосредственно в расточки корпуса гидропривода и демонтажа из него, что позволяет решить задачу минимизации габаритов и массы гидропривода и обеспечивает возможность проведения автономной отработки параметров клапана,

- реализации возможности выполнения основным запорным органом помимо основной функции предохранительного клапана функции подпиточного клапана,

- минимизации площади дифференциальной части основного запорного органа с целью повышения чувствительности клапана и обеспечения его работоспособности в режиме подпитки,

- выполнения автоматического устройства управления вспомогательным запорным органом в виде отдельного блока-модуля с возможностью его легкой встройки в основной корпус клапана и автономной отработки характеристик,

- улучшения работы вспомогательного запорного органа путем образования в нем направляющей части.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показан общий вид, разрез предохранительно-подпиточного клапана модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений, оснащенного двумя последовательно взаимодействующими между собой автоматическими устройствами 18 и 19 для управления основным, подпиточным и вспомогательным запорными органами;

- на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 - конструктивное исполнение кольцевого уступа 13 вспомогательного запорного органа 8 с продольными сквозными, равномерно расположенными по окружности, полуцилиндрическими расточками 38 для прохождения рабочей жидкости в направлении кольцевой полости слива 29.

Предохранительно-подпиточный клапан модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений (фиг.1) содержит корпус 1, выполненный в виде ступенчатой полой втулки с резьбовым участком 2 и уплотнениями 3 и 4 на внешних установочных поверхностях, радиально отводящими каналами 5 и центральным подводящим каналом 6, основной и подпиточный запорный орган 7, вспомогательный запорный орган 8, внутреннюю камеру 9. Основной запорный орган 7 снабжен цилиндрической частью 10 и конической частью 11, а вспомогательный запорный орган 8 - конусообразной уплотняющей поверхностью 12 и наружным кольцевым уступом 13, воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия 14, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента 15.

Предохранительно-подпиточный клапан образован в виде блока-модуля с возможностью встраивания его в резьбовую расточку 16 корпуса гидропривода и сформирован в виде соосно размещенных в центральном канале-расточке 17 корпуса 1 двух последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления: 18 - основным и подпиточным запорным органом 7 и 19 - вспомогательным запорным органом 8.

Между устройствами управления 18 и 19 герметично размещена общая камера командного давления 20, сообщенная через дроссельное отверстие 21 с источником управляющего давления через центральный подводящий канал 6. Устройство управления 18 состоит из корпуса 1 с основным седлом 22, с входной полостью 6 и сливной надклапанной полостью 23 и основного и подпиточного запорных органов 7.

Основной и подпиточный запорные органы 7 подпружинены цилиндрической пружиной сжатия 24 относительно устройства управления 19 вспомогательным запорным органом 8 и выполнены за одно целое в виде плунжера 7 с внутренней сквозной ступенчатой расточкой 25. Плунжер подвижно установлен во внутренней направляющей расточке 17 корпуса 1 с одновременным контактом и взаимодействием конической уплотняющей части 11 с седлом 22 входного канала 6 корпуса 1, а внутренней расточки большей ступени 25 - с уплотненной поршневой частью 26 корпуса 27 автоматического устройства управления вспомогательным запорным органом 8.

Корпус 27 неподвижно закреплен в резьбовой расточке 28 корпуса 1.

Автоматическое устройство управления вспомогательным запорным органом 19 образовано в виде блока-модуля с возможностью встраивания в резьбовую расточку 28 корпуса 1 с образованием кольцевой полости слива 29. Устройство 19 содержит корпус, выполненный в виде уплотненной по установочным поверхностям 30 и 31 резьбовой втулки 27 с направляющей поршневой цилиндрической частью 26 и разделяющей наружной кольцевой проточкой 32 с радиальными сквозными каналами 33.

Внутри втулки 27 выполнена ступенчатая цилиндрическая расточка 34 с участком резьбовой поверхности 35, в расточке меньшей ступени образовано седло 36, а в расточке большей ступени 34 размещен вспомогательный (управляющий) запорный орган 8 с конусной уплотняющей поверхностью 12 с возможностью одновременного контакта конической части 12 с седлом 36 втулки 27, а периферийной поверхности 37 кольцевого уступа 13 - с поверхностью расточки 34, при этом на периферийной поверхности уступа 13 выполнены продольные сквозные, равномерно расположенные по окружности полуцилиндрические расточки 38 (см. фиг.2) для обеспечения прохождения рабочей жидкости.

Между наружной цилиндрической поверхностью 10 основного запорного органа 7 (см. фиг.1) и соответствующей поверхностью расточки 39 корпуса клапана 1 образован гарантированный кольцевой зазор 40 для сообщения кольцевой наружной полости 29 втулки 27 вспомогательного запорного органа с радиально отводящими каналами слива 5 в корпусе 1 предохранительно-подпиточного клапана.

Предохранительно-подпиточный клапан работает следующим образом:

В режиме номинального рабочего давления, установленного для гидросистемы гидропривода

Номинальное рабочее давление через центральный входной канал 6 клапана и через дроссельное отверстие 21 основного запорного органа 7 поступает в общую камеру командного давления 20. В связи с тем, что площадь поршневой части 26 неподвижно установленной резьбовой втулки 27 вспомогательного запорного органа выполнена больше площади седла 22, закрываемой запорным органом 7, последний перемещается в сторону расположения входного канала 6 и закрывает его с силой, пропорциональной разности вышеуказанных площадей, исключая переток рабочей жидкости под давлением в сливную полость 23 гидропривода.

В режиме работы предохранительного клапана

При превышении давления рабочей жидкости в гидросистеме питания сверх номинального (например, при забросах давления) давление рабочей жидкости камеры 20, действуя на площадь уплотняющей конической части вспомогательного запорного органа 8, отжимает его от седла, пересиливая усилие сжатой пружины 14. Рабочая жидкость проходит во внутреннюю пружинную полость резьбовой втулки 27 через сквозные полуцилиндрические расточки 38, выполненные на периферийной поверхности уступа 13. Далее жидкость через радиальные каналы 33, полость 29, кольцевой зазор 40 и радиальные каналы 5 поступает в сливную надклапанную полость 23 гидропривода, при этом давление рабочей жидкости в общей камере командного давления 20 резко падает, в результате чего сила, действующая на основной запорный орган со стороны входного канала 6, становится больше силы, действующей со стороны поршневой части 26 резьбовой втулки 27.

Основной запорный орган 7 в этом случае отходит от своего седла 22, открывая проход рабочей жидкости избыточного давления в сливную полость 23 гидропривода до момента уравновешивания указанных выше сил, при котором повторяется процесс закрытия основного запорного органа. Поскольку в процессе открытия основного запорного органа 7 последний постоянно находится в направляющей расточке 17 корпуса 1, этим исключается вероятность возникновения автоколебаний или вибрации клапана при его работе. Таким образом происходит предохранение гидросистемы питания и исполнительных механизмов от разрушения.

В режиме подпитки

При превышении давления жидкости в сливной полости (камере) 23 гидропривода над давлением в камере командного давления 20 и соответственно в центральном входном канале 6 рабочая жидкость через радиальные отверстия 5 корпуса клапана 1 проходит во внутреннюю камеру 9 и перемещает основной запорный орган 7 на открытие, обеспечивая при этом прохождение рабочей жидкости во входной напорный канал 6. Таким образом осуществляется режим подпитки напорной магистрали.

Заявленная совокупность существенных конструктивных признаков предлагаемого изобретения обуславливает получение технического результата - создание перспективного ряда предохранительно-подпиточных клапанов модульного исполнения для встроенного монтажа, отличающихся эксплуатационной надежностью, лучшей чувствительностью и компактностью конструкции - все элементы устройства просты и технологичны в исполнении и при необходимости могут быть легко и быстро заменены. Кроме этого, они имеют уменьшенные габариты и массу, обеспечивают возможность легкой встройки непосредственно в корпус гидропривода и проведения автономной отработки технических характеристик.