кран с керамическим затвором

Формула изобретения

1. Кран, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, крышку, шпиндель и затвор из керамических пластин с окнами для сообщения с патрубками, одна из пластин подвижная установлена с возможностью поворота при помощи шпинделя, отличающийся тем, что затвор состоит из трех пластин из износостойкого керамического материала с плоскопараллельными, полированными поверхностями контакта, при этом крайние, верхняя и нижняя, керамические пластины с наружной конфигурацией, соответствующей посадочному месту затвора в корпусе крана, установлены с возможностью их фиксации от вращения относительно корпуса крана, а внутренняя пластина, выполненная в виде керамического диска, полированного с обеих сторон с соблюдением плоскопараллельности и с возможностью поворота относительно крайних неподвижных керамических пластин, имеет с одного торца, по меньшей мере, два закрытых углубления, сообщающихся со сквозными отверстиями нижней керамической пластины, и с другого торца, обращенного к шпинделю, соответствующее форме выступа шпинделя углубление, в котором размещена демпфирующая прокладка, кроме того, на верхней неподвижной керамической пластине выполнен внутренний профиль в виде круга с выступами, взаимодействующими с выступом шпинделя и ограничивающими угол поворота подвижного керамического диска, при этом керамический затвор установлен с возможностью его герметизации относительно стенок корпуса крана эластичными упругими уплотнениями, вставленными в фаски, которые выполнены по наружному контуру неподвижных керамических пластин, и возможностью его прижатия к основанию корпуса крана плоской пружиной и прижимной гайкой с одновременным прижатием через отдельную пружину шпинделя к подвижному керамическому диску, а на корпусе крана установлена пружина и плавкая вставка, которые соединены с маховичком крана.

2. Кран по п.1, отличающийся тем, что пластины затвора изготавливают из таких износостойких материалов, как сетал, металлокерамика.

3. Кран по п.1, отличающийся тем, что на поверхности контакта между керамическими пластинами наносят вакуумную смазку.

4. Кран по п.1, отличающийся тем, что уплотнения керамического затвора выполнены из материалов с высокой температурой плавления.

5. Кран по п.1, отличающийся тем, что корпус, шпиндель, крышка и маховичок выполнены из электроизоляционных материалов, например из керамики, пластмассы.

6. Кран по п.1, отличающийся тем, что управление работой крана осуществляют с помощью элементов, выполненных из материалов с термической памятью формы.

7. Кран по п.1, отличающийся тем, что дистанционное управление краном осуществляют с использованием подвода напряжения к плавкой вставке.

8. Кран по п.1, отличающийся тем, что управление открытием и закрытием крана осуществляют с помощью электромагнита.

9. Кран по п.1, отличающийся тем, что управление открытием и закрытием крана осуществляют с помощью гидравлики.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам бытового и промышленного назначения в области запорно-регулирующей арматуры и может быть широко использовано для регулирования расхода и переключения направления потоков транспортируемой по трубопроводам среды в системах газоводоснабжения жилищно-коммунального хозяйства, в частности для быстрого перекрытия трубопроводов при аварийных ситуациях, а также в вакуумной технике и в системах с особо чистой или агрессивной средой в широком диапазоне температур.

Известно изобретение [Пат. RU 2082054, 1994 г.], в котором в качестве запорно-регулирующего органа используется затвор из двух керамических дисков, один из которых неподвижен, а второй вращается с помощью шпинделя. Недостатками такой конструкции являются ограниченная область применения, непосредственный контакт металлического шпинделя с керамикой, что может привести к образованию микротрещин, а также возможность неравномерного износа поверхности контакта.

Известны изобретения [Пат. RU 2128796,1996 г., Пат. RU 2134831, 1997 г.], где в качестве уплотнения применяется затвор из двух керамических дисков. Этим изобретениям, использование которых позволяет расширить область их применения и технические возможности, также присущи те же недостатки.

Известны также изобретения (прямоточные краны) [Пат. ЕР 0333015 А2, 1989 г., Пат. RU 2149302, 2000 г., Пат. JP 2003328405, 2003 г.], у которых керамический затвор выполнен из трех дисков, однако они не отвечают в полной мере требованиям безопасности, в частности при использовании их в системах газового обеспечения или в системах с агрессивными средами. Такие краны также недостаточно надежны при использовании их в вакуумной среде или при высоких температурах, что значительно ограничивает область их применения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является кран [Пат. RU 2175735, 2001 г.], который принят за прототип, включает корпус с входным и выходным патрубками, крышку (гайку), поворотный шпиндель и затвор из двух керамических дисков с окнами для сообщения с патрубками, один из дисков неподвижен, а второй, подвижный связан с поворотным шпинделем. Отличается от вышеприведенных устройств наличием по меньшей мере одного дополнительного патрубка и, соответственно, наличием дополнительных отверстий в керамическом затворе, что позволяет расширить область его применения.

Несмотря на указанные преимущества в этом устройстве также имеются недостатки, упомянутые выше. Непосредственное соединение шпинделя с подвижным диском может иметь точечный характер (контакт), что недопустимо в конструкционной керамике. Антифрикционная прокладка между шпинделем и крышкой подвержена износу, причем износ может иметь локальный характер, что может привести к перекосу шпинделя и возникновению точечных контактов с подвижным керамическим диском. Это, в свою очередь, может привести к возникновению микротрещин и к последующему разрушению подвижного диска. Кроме того, точечные контакты могут возникать и в момент прижатия (затягивания) шпинделя к подвижному керамическому диску прижимной гайкой крана. Износ антифрикционной прокладки и неодинаковое давление со стороны шпинделя на поверхность его контакта с керамическим диском может также вызвать неравномерные нагрузки в плоскости контакта керамических дисков, что может привести к повышенному износу отдельных, локальных участков контактирующих поверхностей, и, следовательно, к нарушению герметичности керамического затвора. Все вышеперечисленное снижает надежность и долговечность прототипа. Достаточно жесткое соединение шпинделя с подвижным керамическим диском не дает возможности регулировать усилие прижатия керамических дисков затвора и, следовательно, регулировать силу трения в плоскости контакта керамических дисков. Недостаточной является и эксплуатационная безопасность прототипа, даже при незначительной разгерметизации в области контакта керамических дисков происходит утечка рабочей среды из крана. Не предусмотрена также возможность дистанционного управления краном, что не позволяет быстро закрыть его в труднодоступных местах или при аварийных ситуациях.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технических результатов, которые позволяют улучшить характеристики прототипа, используя затвор из 3-х керамических пластин, раздельное прижатие и регулировку прижатия керамических пластин затвора и шпинделя. Использование 3-ей пластины в керамическом затворе крана заявляемой конструкции позволяет обеспечить одинаковое давление по всей поверхности контактирующих пластин, совместно с плоской пружиной, одинаковое и регулируемое усилие прижатия керамических пластин и уплотнений затвора, дает возможность обеспечить вместе с эластичными уплотнениями дополнительную герметизацию крана и, следовательно, повысить его эксплуатационную безопасность. Верхняя керамическая пластина является одновременно ограничителем угла поворота шпинделя. Установка демпферной прокладки между подвижным керамическим диском и шпинделем дает возможность устранить точечные контакты шпинделя с поверхностью керамического диска. Применение материалов с высокой температурой плавления в качестве неподвижных уплотнений керамического затвора позволяет использовать кран в высокотемпературных средах, вплоть до 700-800 градусов Цельсия. Применение электроизоляционных и других материалов для изготовления деталей крана, его конструктивные особенности дают возможность дистанционного управления открытием и закрытием крана. Все перечисленное выше позволяет повысить надежность и долговечность заявляемого устройства, расширить область его применения и технические возможности, повысить безопасность эксплуатации газоводопроводных систем.

Указанный результат достигается тем, что в корпусе установлен затвор из трех пластин, которые выполнены из износостойкого керамического материала с плоскопараллельными, полированными поверхностями контакта, при этом крайние (верхняя и нижняя) керамические пластины, полированные со стороны контакта и с наружной конфигурацией, соответствующей посадочному месту затвора, установлены с возможностью их фиксации от вращения в корпусе крана, а внутренняя пластина, выполненная в виде керамического диска, полированного с обеих сторон с соблюдением плоскопараллельности и возможностью поворота относительно крайних керамических пластин, имеет с одного торца по меньшей мере два закрытых углубления, сообщающихся со сквозными отверстиями нижней керамической пластины, и с другого торца, обращенного к шпинделю, выполнено соответствующее форме выступа шпинделя углубление, в котором размещена демпфирующая прокладка, а на верхней неподвижной керамической пластине выполнен внутренний профиль в виде круга с выступами, соответствующими по форме выступу на конце шпинделя, ограничивающими угол поворота подвижного керамического диска, при этом керамический затвор герметизируют относительно стенок корпуса с помощью упругих эластичных уплотнений, которые вставляют в фаски, или канавки, выполненные по контуру неподвижных керамических пластин и прижимают его к основанию корпуса с помощью плоской пружины и прижимной гайки с одновременным прижатием через отдельную пружину шпинделя к подвижному керамическому диску, кроме того, на корпусе крана установлены пружина и плавкая вставка, которые соединены с маховичком крана.

Заявляемое устройство отличается от прототипа исполнением корпуса, исполнением керамического затвора, а также способом управления подвижным керамическим диском так, что эти отличия позволяют повысить надежность и долговечность крана, обеспечить расширение технических возможностей и области его применения, применить дистанционное управление для закрытия и открытия крана, а также повысить эксплуатационную безопасность газоводопроводных систем.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг.1 показан разрез крана в сборе без маховичка, на фиг.2 приведен разрез корпуса крана, на фиг.3, 4, 5 приведен вид сверху корпуса крана с основанием для трех вариантов конструкции нижней керамической пластины затвора, на фиг.6 приведен общий вид крана с пружиной и плавкой вставкой в сборе, на фиг.7 приведен вид крана со снятой плавкой вставкой, на фиг.8 приведен вид крана с подводом напряжения к плавкой вставке, на фиг.9 приведен вид крана с пружиной из материала с термической памятью формы, на фиг.10, 12 приведен вид верхней и нижней неподвижных пластин керамического затвора, на фиг.11 приведен вид подвижного керамического диска, на фиг.13, 16 показано исполнение в двух вариантах нижнего и среднего керамических пластин для соответствующих оснований корпуса заявляемого крана. В качестве примера использования крана для переключения направления потока воды в бытовом смесителе на фиг.14, 17 показано положение керамических пластин переключателя при истечении воды в душ, на фиг.15, 18 показано положение керамических дисков при истечении воды в ванну. Буквы в отверстиях неподвижной керамической пластины означают следующее: В - ванна, Д - душ, СМВ - смешанная вода.

Кран (фиг.1) содержит корпус 1, неподвижные уплотнения 2, 7 керамических пластин, неподвижные пластины 3, 5 керамического затвора с фасками по наружному контуру 16, 17 (фиг.10, 12), подвижный керамический диск 4, демпферные прокладки 6, плоскую пружину 8, пружину шпинделя 9, прижимную гайку 10, шпиндель 11. В основании корпуса 1 выполнены два или более отверстия (фиг.2, 3, 4, 5) для прохождения танспортируемой среды. Устройство для аварийного срабатывания крана при повышенных температурах (фиг.6) состоит из маховичка 12, плавкой вставки 13, коромысла 14 и пружины 15. Коромысло 14 может быть закреплено на оси, выполненной на корпусе крана, или закреплено на специальном хомуте (на чертеже не показано), который свободно перемещается вдоль патрубка крана и закрепляется в определенном положении с помощью винта. Плавкая вставка 13 рассчитана на определенную температуру срабатывания, а при необходимости легко отсоединяется от маховичка крана (фиг.7). При необходимости пружину 15 изолируют с помощью керамической трубки. Пружина 15 (фиг.9) может быть выполнена из материала с термической памятью формы и в узком диапазоне температур может производить поворот маховичка крана без использования плавкой вставки. Могут быть использованы элементы из материалов с термической памятью формы и в другом виде, отличном от пружины, например в виде узкой пластинки, согнутой под определенным углом. Возвратная пружина из материала с памятью формы может быть также закреплена на самом шпинделе, вместо пружины 9, и поворачивать его при повышении температуры на определенный угол относительно корпуса крана, а при обычной температуре выполнять функции прижимной пружины. При дистанционном управлении шпинделем (фиг. 8) корпус крана, маховичок и другие детали могут быть изготовлены из электроизоляционных материалов, например из керамики, пластмассы и т.п. Наружные контуры (наружная конфигурация) неподвижных пластин 3, 5 керамического затвора (фиг.10, 12) выполнены так, чтобы грани этих пластин, имеющие небольшой зазор относительно граней посадочного места в корпусе крана, предотвращали их от вращения. Так керамические пластины фиксируют от вращения за счет геометрии внешнего контура пластин и ответного посадочного места в корпусе крана. Рабочие элементы керамического затвора крана могут быть изготовлены как из керамики, так и из других материалов, имеющих высокие трибологические характеристики, например металлокерамики, сетала. При сборке зазор между корпусом крана и неподвижными пластинами 3, 5 герметизируют уплотнениями 2, 7, что дополнительно фиксирует их от вращения относительно корпуса крана. При этом внутри верхней пластины 5 (фиг. 10) выполнены выступы, соответствующие выступу на конце шпинделя и ограничивающие угол поворота подвижного керамического диска. Шпиндель с выступом входит в углубление торца подвижного диска и заодно взаимодействует с выступами верхней керамической пластины. Такие же выступы могут быть выполнены на металлической шайбе, используемой вместо плоской пружины 8.

При сборке крана на основание корпуса 1 устанавливают уплотнение 2, затем устанавливают керамический затвор 3, 4, 5, одну из демпферных прокладок 6, уплотнение 7, плоскую пружину 8, шпиндель 11, одевают на шпиндель пружину 9 и закручивают по резьбе относительно корпуса гайку 10. Далее закрепляют на шпинделе маховичок 12, закрепляют на одном из патрубков крана хомут с коромыслом 14 и соединяют неподвижное коромысло 14 с маховичком 12 плавкой вставкой 13 и пружиной 15. По окончании сборки кран находится в открытом положении, а степень открытия крана дискретно или плавно регулируют длиной плавкой вставки.

В обычном режиме кран работает следующим образом. Поступление жидкости или газа перекрыто полностью, когда выступ на шпинделе находится в крайнем правом положении при касании с ограничителем угла поворота на верхней керамической пластине. В этом положении сечения входных отверстий на нижней керамической пластине 3 полностью перекрыты подвижным керамическим диском 4. При повороте подвижного диска 4 против часовой стрелки сечения его закрытых углублений смещаются относительно проходных отверстий неподвижной шайбы 3 и начинается движение жидкости или газа через входной и выходной патрубки крана. Максимальный расход жидкости или газа происходит в момент касания выступа шпинделя с ограничителем угла поворота на верхней керамической пластине 5 в крайнем левом положении. Если кран используется в аварийном режиме (в системе возможна аварийная ситуация), то кран находится в открытом рабочем положении. При нагревании окружающей среды до определенной температуры плавкая вставка перегорает (плавится) и пружина поворачивает шпиндель в положение закрыто. В отдельных случаях, когда нет необходимости ориентироваться на заданную температуру, вместо плавкой вставки используют прочную нить, например из капрона, или рыболовную леску. По аналогии с этой схемой кран закрывают при помощи элементов с термической памятью формы, однако имеется отличие в том, что при понижении температуры окружающей среды элементы с термической памятью формы восстанавливают прежнее рабочее положение крана, при котором кран находился до его закрытия. При использовании крана в системах с дистанционным управлением, т.е. когда к элементам управления краном подводится напряжение, корпус крана и другие детали изготавливают из электроизоляционных материалов. При этом в качестве управляющих элементов могут быть использованы электромагниты. Для дистанционного управления краном могут быть использованы также элементы гидравлики, например приспособления, где в качестве рабочей среды используется сжатый воздух.

Рабочие элементы керамического затвора крана могут быть изготовлены как из керамики, так и из других материалов, имеющих высокие трибологические характеристики, например металлокерамики, сетала и др. материалов. В случае необходимости во входной патрубок крана устанавливают фильтр для очистки транспортируемой среды от грубых механических загрязнений.

Если кран используют в вакуумной технике, то для повышения степени герметизации керамического затвора в плоскостях контакта керамических пластин 3, 5 с подвижным керамическим диском 4 применяют вакуумную смазку. Вакуумную смазку наносят на поверхности контакта в процессе сборки крана. Для пополнения вакуумной смазки в процессе эксплуатации крана в неподвижных керамических пластинах 3, 5 выполняют отверстия (на чертеже не показаны) и заполняют их вакуумной смазкой. Размеры отверстий и их распределение по поверхности керамических пластин 3, 5 выполнено с таким расчетом, чтобы не уменьшить прочности керамических деталей, а с другой стороны, чтобы смазка наносилась на возможно большую поверхность контакта. Вакуумная смазка может также служить в качестве средства для уменьшения трения между контактирующими керамическими пластинами.

Заявляемое устройство обеспечивает высокую надежность в эксплуатации и долговечность, отвечает современным экологическим требованиям. Кран обеспечивает надёжную работу при низких и высоких температурах, а также при использовании его в устройствах с агрессивной, или вакуумной средой. Устройство довольно простое в изготовлении и сборке, при этом не требуется изменения используемых стандартных трубопроводов и соединительных узлов. Устройство дает широкие возможности для применения его в различных автоматических процессах с дистанционным управлением.