разрушаемая мембрана

Формула изобретения

1. Разрушаемая мембрана, выполненная в виде диска, закрепленного по контуру, диск выполнен с утолщением в центральной части, а по периметру утолщения выполнена канавка в виде неполного кольца с прямолинейными концевыми участками, образующими гибкую радиальную перемычку в периферийной части диска, отличающаяся тем, что на радиусе прохождения кольцевой канавки дополнительно выполнено не менее одной гибкой радиальной перемычки, образованной прямолинейными концевыми участками, перемычки распределены равномерно, также выполнены дополнительные прямолинейные канавки, соединяющие кольцевые канавки друг с другом через центр диска, при этом диаметр и толщина диска в его центральной части и в местах утонения по донышкам кольцевых и дополнительных канавок выбраны из условия обеспечения заданного давления разрушения мембраны и пропускной способности образуемого отверстия.

2. Разрушаемая мембрана по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые и дополнительные канавки по глубине выполнены ступенчатыми.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к предохранительным устройствам и может быть применено в пневматических и гидравлических системах при аварийном повышении давления.

Известны аналоги, конструктивно выполняемые в виде мембранных и клапанных устройств, защищающих пневмо-гидросистемы.

Известен предохранительный клапан по авторскому свидетельству СССР №289245 от 28.11.68, МПК ⁶ F16K 17/40, публикация 08.12.70. Клапан содержит закрепленную в корпусе металлическую мембрану в виде диска, исполнительное устройство для ее разрушения, выполненное в виде поршня, снабженного герметизирующим и теплозащитным элементами, полость для вывода рабочей среды в манжетной гайке, в которой соосно установлен отбойник и выполнены выводные каналы для рабочей среды. Конструкция устройства имеет элементы улавливания срезаемой мембраны и поршня, а также гашения ударов поршня.

К недостаткам конструкции этого аналога следует отнести ненадежность срабатывания из-за наличия подвижного уплотняемого поршня, который при случайных ударах вдоль оси устройства может самопроизвольно срезать мембрану. При срабатывании устройства центральная часть мембраны отделяется от ее контура, закрепленного в корпусе с обеспечением герметичности, и образует осколок, который может быть деформирован и потоком рабочей среды занесен в выводной канал с дальнейшим перекрытием этого канала. Такой результат наиболее вероятен при использовании плотной и вязкой рабочей среды, например консистентных смазок. Кроме того, устройство не обеспечивает стабильное давление разрушения мембраны вследствие возможного проскока рабочей среды по элементам герметизации поршня, а также за счет разброса как механических характеристик материала, используемого для изготовления мембраны, так и усилия ее поджатия к корпусу. Надежная герметичность мембраны достигается только в том случае, если в местах механического контакта с корпусом и герметизирующими элементами в материале мембраны реализуются напряжения в области пластической деформации. Однако для мембраны это эквивалентно непостоянному по величине надрезу и утонению, приводящему к нестабильности давления ее разрушения.

Известна разрушаемая мембрана по авторскому свидетельству СССР №496415 от 15.07.74, МПК⁶ F16K 17/16, публикация 25.12.75, Б.И. №47. Мембрана выполнена в виде сплошного диска, снабженного локализующей накладкой с внутренним вырезом в виде лепесткового контура, что обеспечивает ее локальное разрушение.

Недостатком этого аналога является также ненадежность срабатывания конструкции, обусловленная не только возможностью перекрытия выводного канала центральной частью, отделяющейся от контура мембраны, закрепленной в корпусе с обеспечением герметичности, и реализации такого же непостоянного по величине ее надреза и утонения, но и сложностью точного исполнения лепесткового контура в локализующей накладке. Кроме того, отверстие, образующееся при разрушении мембраны, имеет форму, характерную для сечений с большим гидродинамическим сопротивлением. Вследствие этого конструкция не обеспечивает как стабильности давления разрушения мембраны, так и пропускной способности при истечении рабочей среды через это отверстие.

Более надежными следует считать устройства с мембранами, разрушающимися без образования осколков.

Известна разрушаемая мембрана по патенту РФ №2018757 от 11.11.90, МПК⁶ F16K 17/40, публикация 30.08.94, Б.И. №16. Эта мембрана выполнена в виде диска, закрепленного по контуру в обойме и снабженного локализующей накладкой в виде опорного кольца, при этом в диске выполнена канавка, перекрываемая опорным кольцом, диск выполнен с утолщением в центральной части, а по периметру утолщения выполнена канавка в виде неполного кольца с прямолинейными концевыми участками, образующими гибкую радиальную перемычку в периферийной части диска. При достижении заданного давления мембрана прорывается по кольцевой канавке, глубина которой формирует необходимую степень уменьшения толщины диска, прогибается по радиальной перемычке и зависает на ней, не образуя осколков. Это качество конструкции придает ей основное достоинство, поэтому она принята за прототип.

Недостатком конструкции прототипа является ее сложность в связи с наличием резьбового соединения, обоймы и локализующей накладки. В целом, данное устройство характеризуется также невысокой надежностью срабатывания вследствие нестабильности давления разрушения мембраны из-за сильной зависимости этой величины от разброса механических характеристик материала, используемого для изготовления мембраны, и толщины диска, которая реализуется в месте утонения по дну кольцевой канавки. Кроме того, для обеспечения возможности полного прогиба мембраны по радиальной перемычке требуется наличие свободной, по форме близкой к цилиндрической, полости для прорыва мембраны. Диаметр и высота этой полости должны превышать суммарное значение диаметра кольцевой канавки и длины радиальной перемычки. В случае отсутствия такой полости мембрана застревает в неопределенном положении и за счет этого прогибается не полностью. В результате конструкция не удовлетворяет требованиям по надежности срабатывания, так как не обеспечивается стабильность давления разрушения мембраны и пропускной способности образуемого отверстия.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка устройства с мембраной, разрушаемой без образования осколков от заданного давления и обеспечивающей постоянную пропускную способность образуемого отверстия.

Технический результат заключается в повышении надежности срабатывания устройства путем повышения стабильности давления разрушения мембраны и пропускной способности отверстия, образуемого при ее разрушении, в обеспечении простоты изготовления и без осколочного разрушения мембраны, в компактности конструкции устройства.

Технический результат достигается тем, что в известной разрушаемой мембране, выполненной в виде диска, закрепленного по контуру, диск выполнен с утолщением в центральной части, а по периметру утолщения выполнена канавка в виде неполного кольца с прямолинейными концевыми участками, образующими гибкую радиальную перемычку в периферийной части диска, согласно предлагаемому изобретению:

а) на радиусе прохождения кольцевой канавки дополнительно выполнено не менее одной гибкой радиальной перемычки, образованной прямолинейными концевыми участками;

б) перемычки распределены равномерно;

в) выполнены дополнительные прямолинейные канавки, соединяющие кольцевые канавки друг с другом через центр диска;

г) диаметр и толщина диска в его центральной части и в местах утонения по донышкам кольцевых и дополнительных канавок выбраны из условия обеспечения заданного давления разрушения мембраны и пропускной способности образуемого отверстия.

Кроме того, кольцевые и дополнительные канавки по глубине могут быть выполнены ступенчатыми.

Выполнение на радиусе прохождения кольцевой канавки дополнительно не менее одной гибкой радиальной перемычки, образованной прямолинейными концевыми участками, равномерное распределение перемычек и выполнение дополнительных прямолинейных канавок, соединяющих кольцевые канавки друг с другом через центр диска, обеспечивают в совокупности при разрушении мембраны образование нескольких одинаковых частей, каждая из которых прогибается по своей радиальной перемычке и зависает на ней, не образуя осколков.

Наличие кольцевых и дополнительных прямолинейных канавок позволяет упорядочить процесс разрушения мембраны. При этом начало разрушения происходит сначала по прямолинейным канавкам, распространяясь от центра диска, а затем по кольцевым канавкам, распространяясь уже от прямолинейных канавок к радиальным перемычкам. Следует отметить, что после разрушения мембраны по прямолинейным канавкам сопротивление ее материала дальнейшему разрушению фактически не возрастает, а уменьшается пропорционально изменению площади силового сечения при прохождении сквозных трещин от прямолинейных канавок до радиальных перемычек. Это обстоятельство обеспечивает более стабильное давление разрушения мембраны и постоянную пропускную способность образуемого отверстия.

Для обеспечения возможности полного прогиба каждой из частей мембраны по радиальным перемычкам также требуется наличие свободной, по форме близкой к цилиндрической, полости для прорыва мембраны. Однако в данном случае высота этой полости может быть уменьшена по сравнению с прототипом практически в два раза.

Достижению указанного технического результата способствует также выбор диаметра, и толщины диска в его центральной части и в местах утонения по донышкам кольцевых и дополнительных канавок из условия обеспечения заданного давления разрушения мембраны и пропускной способности образуемого отверстия.

Выполнение кольцевых и дополнительных канавок по глубине ступенчатыми облегчает их изготовление штамповкой. При этом сначала могут изготавливаться более широкие канавки, но на меньшую глубину. После этого по утолщенным донышкам более широких канавок могут изготавливаться более узкие канавки в их окончательном виде с обеспечением минимальных значений как деформации материала, так и разброса по требуемой толщине в местах утонения. За счет этого обеспечивается более стабильное давление разрушения мембраны и постоянная пропускная способность образуемого отверстия.

В результате конструкция предложенного устройства обеспечивает повышение надежности срабатывания за счет более стабильного давления разрушения мембраны без образования осколков и с сохранением постоянной пропускной способности образуемого отверстия. Кроме того, устройство приобретает большую простоту и компактность.

На фиг.1 и 2 представлены схемы вариантов исполнения заявляемого устройства с одной дополнительной радиальной перемычкой.

В обоих вариантах исполнения мембрана 1 закреплена по контуру с помощью элементов 2 и 3. На диаметре d выполнены две гибкие радиальные перемычки Ж, И, образующие кольцевые канавки А и Б с прямолинейными концевыми участками соответственно В, Г и Д, Е. Дополнительно выполнены две прямолинейные канавки К, соединяющие середины кольцевых канавок А и Б друг с другом через центр мембраны 1. В этом случае канавки К, соединяющие середины кольцевых канавок А и Б с центром мембраны 1, практически образуют одну прямолинейную канавку, имеющую удвоенную длину. Канавки А, Б и К выполнены с обеспечением глубины Н и толщины h в местах утонения по донышкам.

Вариант исполнения канавок А, Б и К, представленный на фиг.2, рекомендуется при их изготовлении штамповкой. В этом случае каждые кольцевая и прямолинейная канавки выполнены по глубине Н с одной ступенькой. При этом сначала выполняются их широкие верхние части с обеспечением соответственно толщины h₁ , а затем узкие нижние части с обеспечением окончательной глубины канавок Н и толщины h в местах утонения по донышкам канавок.

На фиг.3 представлена схема варианта исполнения заявляемого устройства с двумя дополнительными радиальными перемычками.

В этом случае на диаметре d выполнены три гибкие радиальные перемычки Ж, И, И₁ образующие кольцевые канавки А, Б и Б₁ с прямолинейными концевыми участками соответственно В, Г, затем Д, Е и Г ₁, Е₁. Дополнительно также выполнены три прямолинейные канавки К, соединяющие середины кольцевых канавок А, Б и Б₁ друг с другом через центр мембраны 1. Кольцевые и прямолинейные канавки выполнены с обеспечением глубины Н и толщины h в местах утонения по донышкам.

Для всех трех вариантов исполнения, представленных на фиг.1, 2 и 3:

а) форма донышек в сечениях на глубине h упрощенно изображена плоской по всей ширине канавок, но может быть выполнена с радиусными округлениями или в виде клина;

б) диаметр d, толщина Н мембраны в ее центральной части и толщина h в местах утонения по донышкам канавок выбраны из условия обеспечения заданного давления разрушения мембраны и пропускной способности образуемого отверстия;

в) мембрана 1 изолирует друг от друга полости Л и М;

г) рабочая среда, находящаяся в полости Л, и отверстие, образуемое при разрушении мембраны, не показаны.

Разрушаемые мембраны, представленные на фиг.1, 2 и 3, работают следующим образом.

При воздействии давления рабочей среды в полости Л до уровня, менее заданного, мембрана 1 изолирует полость Л от полости М.

В случае достижения заданного давления рабочей среды, прогиб мембраны 1 в ее центральной части приводит сначала к разрушению по донышкам прямолинейных канавок К, а затем - по донышкам кольцевых канавок. После этого утолщенные центральные части мембраны 1 прогибаются каждая отдельно по своей гибкой радиальной перемычке Ж, И, И₁ и зависают на них, не образуя осколков.

В процессе отработки данного устройства для изготовления мембраны использовался алюминиевый сплав АМц ГОСТ 4784-97. Все канавки изготавливались штамповкой с одной ступенькой. Результаты отработки подтверждают высокую эффективность и надежность устройства в условиях перепада температур от минус 60 до плюс 60°С.

При многократных экспериментах со срабатыванием устройства от давления рабочей среды в виде консистентной смазки после разрушения мембраны:

а) подтверждена целесообразность и необходимость выбора диаметра и толщины диска в его центральной части и в местах утонения по донышкам кольцевых и дополнительных канавок из условия обеспечения заданного давления разрушения мембраны и пропускной способности образуемого отверстия;

б) образование осколков или застревание частей мембраны в неопределенном положении выводного канала не зафиксировано;

в) давление разрушения мембраны и пропускная способность образуемого отверстия стабильны.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет решить поставленную задачу разработки устройства с мембраной, разрушаемой без образования осколков от заданного давления.

Технический результат заключается в повышении надежности срабатывания устройства путем повышения стабильности давления разрушения мембраны и пропускной способности отверстия, образуемого при ее разрушении, в обеспечении простоты изготовления и без осколочного разрушения мембраны, в компактности конструкции устройства.