Клапанная система аварийного отключения

Клапанная система аварийного отключения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а именно к клапанным системам аварийного отключения, и может быть использовано для автоматического отключения систем гидравлического привода промышленного рабочего оборудования.

Известны отсечные и запорные клапаны, используемые в арматуростроении для автоматического отключения напорных трубопроводов в случаях их разрушения (см. авторское свидетельство SU №1762068, кл. F16К 17/22, 15.09.1992 или патент RU №2097639, кл. F16К 17/24, 27.11.1997). Одни из таких клапанов снабжены входным и выходным отверстиями в корпусе, в полости которых расположен запорный орган, другие же включают корпус с тремя смежными камерами, в которых находятся ступени подвижного поршня с уплотнительной поверхностью, взаимодействующей с седлом, предотвращающей утечку рабочей среды при внезапном падении давления на выходе.

Недостатком этих клапанов является то, что принцип их работы основан на возникновении разности давления рабочей среды на входе в корпус клапана и выходе из него при движении жидкости, что не позволяет использовать данные клапаны для защиты сети трубопроводов, функционирующих в режиме переменных гидродинамических нагрузок в системе, так как будут происходить ложные срабатывания клапанов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является отсечной клапан системы аварийного отключения, содержащий корпус со смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями, сообщенными с трубопроводами, имеющими обратную связь, причем полости двух камер выполнены в виде каналов и сообщены между собой, во входной полости одной из камер установлен регулятор перепада давления, седло установлено в месте сопряжения трубопровода с выходным отверстием, полость другой камеры посредством дренажного канала сообщена с третьей камерой и одновременно с импульсным трубопроводом, соединенным с напорным трубопроводом, при этом внутри третьей камеры размещены подвижный поршень с уплотнительной поверхностью, подпружиненный со стороны фиксатора хода поршня, и регулировочный болт с посадочной поверхностью под пружину, связанный с корпусом посредством резьбового соединения, причем в смежной камере расположен запорный орган, выполненный в виде плунжера, подпружиненного относительно корпуса возвратной пружиной и снабженного ограничителем обратного хода, и находящийся со штоком поршня в зацеплении в рабочем состоянии системы, в дренажном канале установлено регулируемое дроссельное устройство в виде вентиля с конусом, а фиксатор хода поршня выполнен в виде стопорного кольца, расположенного в нижней части рабочей камеры выше входного канала трубопровода обратной связи (см. патент RU №2282089 С1, кл. F16К 17/24, 20.08.2006).

Однако данное техническое решение имеет ряд недостатков, которые заключаются в том, что данной системой не представляется возможным контролировать более одной гидролинии (гибкого рукава высокого давления) при аварийной ситуации.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является внедрение в его конструкцию устройства, позволяющего фиксировать поршень при переходе с рабочего на холостой режим работы, а так же введение в систему гребенки обратных клапанов.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является расширение возможностей по увеличению количества рабочих линий в гидросистеме строительных машин с объемным гидроприводом, подлежащих защите при разгерметизации (обрыв гибких рукавов высокого давления - ГРВД) системы, не понижая при этом надежности нового устройства.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что клапанная система аварийного отключения содержит корпус со смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями, сообщенными с трубопроводами, имеющими обратную связь, причем полости двух камер выполнены в виде каналов и сообщены между собой, во входной полости одной из камер установлен регулятор перепада давления, седло установлено в месте сопряжения трубопровода с выходным отверстием, полость другой камеры посредством дренажного канала сообщена с третьей камерой и одновременно с импульсным трубопроводом, соединенным с напорным трубопроводом, при этом внутри третьей камеры размещены подвижный поршень с уплотнительной поверхностью, подпружиненный со стороны фиксатора хода поршня, и регулировочный болт с посадочной поверхностью под пружину, связанный с корпусом посредством резьбового соединения, причем в смежной камере расположен запорный орган, выполненный в виде плунжера, подпружиненного относительно корпуса возвратной пружиной и снабженного ограничителем обратного хода, и находящийся со штоком поршня в зацеплении в рабочем состоянии системы, в дренажном канале установлено регулируемое дроссельное устройство в виде вентиля с конусом, а фиксатор хода поршня выполнен в виде стопорного кольца, расположенного в нижней части рабочей камеры выше входного канала трубопровода обратной связи, при этом на поршне установлен фиксатор нейтрального положения, выполненный в виде цилиндрического стопора, установленного в выполненном в поршне глухом отверстии, фиксатор подпружинен относительно поршня и выполнен с выпуклой торцевой стенкой, глухое отверстие сообщено посредством перепускной магистрали с трубопроводом обратной связи со стороны выпуклой торцевой поверхности фиксатора и посредством переливного отверстия в поршне с рабочей камерой корпуса, при этом перепускная магистраль выполнена с посадочным седлом, сопряженным с выпуклой торцевой стенкой фиксатора в верхнем положении поршня, трубопровод обратной связи через гребенку параллельно подключенных обратных клапанов подключен к гибким рукавам высокого давления, соединенным в продолжение напорным линиям гидрораспределителя к устройствам привода, например гидромоторам или гидроцилиндрам, в частности последние могут быть подключены к гидрораспределителю (ГРВД соединены в продолжение напорным линиям - металлическим РВД).

В ходе анализа работы отсечного клапана системы аварийного отключения было выявлено, что его работа по «охране» гидросистемы ограничена защитой только одной гидролинии, что приводит к повышенным затратам на оборудование такими клапанами всей гидросистемы.

Ввод фиксатора нейтрального положения в виде цилиндрического стопора, установленного в глухом отверстии, выполненном в поршне, а также соединение трубопровода обратной связи с гребенкой обратных клапанов, которые в свою очередь соединяются со всеми подлежащими контролю ГРВД, позволяет обеспечить контроль и защиту (в случае разгерметизации системы) двух и более последовательно работающих гидролиний. Кроме того, это даст возможность клапанной системе аварийного отключения выхода из следящего (контролируемого) режима в свободный (неконтролируемый) в момент остановки исполнительных органов, ГРВД которых подлежат защите (гидромоторы и гидроцилиндры, запитанные от трехсекционного гидрораспределителя).

Поскольку фиксатор подпружинен относительно поршня и выполнен с выпуклой торцевой стенкой, глухое отверстие сообщено посредством перепускной магистрали с трубопроводом обратной связи со стороны выпуклой торцевой поверхности фиксатора и посредством отверстия в поршне с рабочей камерой корпуса клапана, а перепускная магистраль выполнена с посадочным седлом, сопряженным с выпуклой торцевой стенкой стопора, то достигается возможность посредством фиксатора механически стопорить поршень при нейтральном положении всех золотников трехсекционного гидрораспределителя (исполнительные органы при таком положении не запитываются рабочей жидкостью от последнего и не совершают работу, следовательно, давление обратной связи отсутствует), при этом сам стопор находится в гидравлически разгруженном состоянии и удерживает поршень под действием усилия пружины. В тоже время при нормальной работе системы (исполнительные органы запитываются рабочей жидкостью (РЖ) от трехсекционного гидрораспределителя и работают, давление обратной связи не равно нулю) стопор находится в положении I, a поршень в зацеплении со штоком. Во время аварийной ситуации, например при разрушении ГРВД, за счет остаточного давления обратной связи (контролируемая точка всегда выше места разрыва) фиксатор будет находиться так же в положении I, а поршень из-за разности давления в нижней и верхней части рабочей камеры опустится вниз, выйдя из зацепления со штоком, позволив ему перекрыть запорную камеру.

Описанная система за счет того, что трубопровод обратной связи через систему параллельно подключенных к нему обратных клапанов подключен к ГРВД нескольких исполнительных органов, например гидромоторов и гидроцилиндров, позволяет контролировать (защищать гидросистему при разгерметизации, перекрывая напорную магистраль, от потери РЖ) работу всех устройств гидравлического привода, которые подключены к трехсекционному гидрораспределителю.

На фиг.1 схематически представлена клапанная система аварийного отключения.

На фиг.2 показано положение I фиксатора нейтрального положения.

На фиг.3 представлено положение II фиксатора нейтрального положения.

На фиг.4 показана схема подключения напорного трубопровода и трубопровода обратной связи к гидрораспределителю.

На фиг.5 показан (увеличение) вид III на фиг.4.

Клапанная система аварийного отключения включает отсечной клапан, который содержит корпус 1, в котором выполнены входное и выходное отверстия, соответственно, 2 и 3. К корпусу 1 подключен напорный трубопровод 4. В корпусе 1 также выполнены входной канал 5, через который к нему подключен импульсный трубопровод 6, и входной канал 7, через который к нему подключен трубопровод обратной связи 8. В корпусе 1 установлен запорный орган, выполненный в виде плунжера 9, подпружиненного относительно корпуса возвратной пружиной 10 и снабженного ограничителем 11 обратного хода. Плунжером 9 сообщенные между собой каналы разделены на две полости с образованием двух смежных камер, одна из которых является запорной 12 и сообщена через входное отверстие 2 с напорным трубопроводом 4, а другая импульсная 13 сообщена через входной канал 5 с импульсным трубопроводом 6. Во входной полости запорной камеры 12 установлены регулятор перепада давления 14 и седло 15. Импульсная камера 13 посредством дренажного канала сообщена с третьей - рабочей камерой 17, а точнее с верхней частью рабочей камеры 17, причем в дренажном канале установлено дроссельное устройство 16 в виде регулируемого дроссельного вентиля с усеченным конусом. В рабочей камере 17 расположен подвижный поршень 18 с уплотнительной поверхностью. Последняя уплотнена по наружному диаметру кольцом 19. Подвижный поршень подпружинен относительно корпуса 1 и выполнен со штоком 20, находящимся с плунжером 9 в зацеплении в рабочем состоянии системы и удерживающим плунжер 9 за счет усилия, создаваемого пружиной 21, расположенной в нижней части рабочей камеры 17. Усилие, создаваемое пружиной 21, регулируется посредством регулировочного болта 22, имеющего посадочную поверхность под пружину 21 и соединенного с корпусом 1 посредством резьбового соединения. Поршень 18 подпружинен относительно корпуса 1 со стороны фиксатора хода поршня, выполненного в виде стопорного кольца 23, расположенного в нижней части рабочей камеры 17 выше канала 7, сообщенного с трубопроводом 8 обратной связи. На поршне 18 установлен фиксатор нейтрального положения 24 в виде цилиндрического стопора, установленного в выполненном в поршне глухом отверстии. Фиксатор 24 подпружинен относительно поршня 18 посредством пружины 25 и выполнен с выпуклой торцевой стенкой. Глухое отверстие сообщено посредством перепускной магистрали 26 с трубопроводом 8 обратной связи со стороны выпуклой торцевой стенки фиксатора 24 и, посредством переливного отверстия 27 в поршне 18, с нижней частью рабочей камеры 17 корпуса 1, при этом перепускная магистраль 26 выполнена с посадочным седлом 28. Трубопровод обратной связи 8 через гребенку параллельно подключенных обратных клапанов 29 подключен к ГРВД 30 в контролируемых точках, например точка «А» с давлением Р_о, посредством которых устройства привода (исполнительные органы), например гидромоторы 31, или гидроцилиндры 32, подключены к гидрораспределителю 33.

Устройство работает следующим образом.

При исправной работе системы гидравлического привода промышленного рабочего оборудования (при работе одного из исполнительных органов гидрораспределителя 33) давление рабочей жидкости в напорном трубопроводе 4 избыточно. Перепад давления ΔР в верхней и нижней частях рабочей камеры 17 меньше величины давления срабатывания ΔР_ср. Поэтому плунжер 9 зафиксирован и гидросистема может работать без ложного срабатывания в широком диапазоне расхода по основной магистрали, при этом фиксатор нейтрального положения 24 находится в положении I, так как давление в трубопроводе обратной связи 8 не дает ему занять положение II и застопорить поршень 18.

При работе гидросистемы и отсутствии внешнего воздействия на золотники гидрораспределителя 33 (золотники находятся в нейтральном положении) РЖ, минуя их по нейтральной магистрали 34, поступает к четырехсекционному гидрораспределителю (это происходит, например, когда совмещаются операции работы стрелы с работой рукояти или ковша на одноковшовых экскаваторах при работе четырехсекционного гидрораспределителя). Так как движение РЖ в ГРВД 30 нет, давление в контролируемой точке в нижней части рабочей камеры 17 и магистрали 26 отсутствует, а в верхней части рабочей камеры 17 не равно нулю, поршень 18 подастся вниз, но не успеет преодолеть усилие пружины 21. В это же время фиксатор 24 поршня 18 под действием пружины 25 переместиться вправо, войдет в зацепление с седлом 28 и зафиксирует поршень 18 (положение II), не дав ему освободить плунжер 9 и перекрыть подачу РЖ. Это произойдет потому, что в конструкции клапана заложен принцип задержки на его срабатывание (дроссельное устройство), и поэтому время выхода поршня 18 из зацепления больше времени срабатывания фиксатора 24.

В случае нарушения герметичности гидросистемы, например при разрушении одного из ГРВД 30, в контролируемой точке «А» происходит падение давления Р_о. Одновременно падает давление в нижней части рабочей камеры 17 и в магистрали 26. При этом величина ΔР становится больше ΔР_ср. Падение давления в перепускной магистрали 26 не приведет к перемещению фиксатора нейтрального положения 24 под воздействием пружины 25 вправо с последующим его входом в посадочное седло 28. Это произойдет потому, что контрольная точка находится выше точки «Б» разрушения ГРВД и давления обратной связи в этом случае будет достаточно для удержания фиксатора 24 поршня 18 в положении I, но недостаточно для преодоления давления в верхней части рабочей камеры 17. Поскольку насос системы гидравлического привода промышленного оборудования подает рабочую жидкость по напорному трубопроводу 4, поршень 18 под действием давления в верхней части рабочей камеры 17 опустится вниз, выйдя из зацепления с плунжером 9, а тот, в свою очередь, за счет разности давлений с его противоположных сторон, обусловленной потерями напора за счет гидравлических сопротивлений движущейся рабочей жидкости и работы регулятора перепада давления 14, переместиться вправо и, войдя в контакт с седлом 15, отсечет поток рабочей жидкости (через предохранительный клапан, находящийся перед системой, рабочая жидкость пойдет на слив в гидробак).

После остановки указанного выше насоса давление в напорной магистрали 4 постепенно падает и давление рабочей жидкости над и под поршнем 18, а также в трубопроводе 8 обратной связи и в перепускной магистрали 26 выравнивается. При этом плунжер 9 под воздействием усилия, создаваемого пружиной 10, будет перемещаться влево. Одновременно с этим, поршень 18 под воздействием усилия, создаваемого пружиной 21, переместится вверх и шток 20 войдет в зацепление с плунжером 9, а фиксатор 24 переместится в направлении посадочного седла 28 и упрется в него, фиксируя поршень 18 до первой подачи РЖ в перепускную магистраль 26 (начало работы исполнительных органов 31 или 32).

Данная клапанная система аварийного отключения способна осуществлять защиту (контроль) двух или более гидролиний (ГРВД) рабочих органов СМ, работающих последовательно в широком диапазоне расходов рабочей жидкости по напорной магистрали 4 и при значительных перепадах давления в контролируемых зонах без ложных срабатываний. А именно: в случае нарушения герметичности (аварийной ситуации) в контролируемой точке «А» давление рабочей жидкости одновременно понижается во всем трубопроводе обратной связи (включая и перепускную магистраль 26), а так же в нижней части рабочей камеры 17 и становится меньше, чем давление в верхней части. В этом случае фиксатор нейтрального положения 24 должен под действием пружины 25 переместиться вправо, войти в зацепление с посадочной поверхностью 28 и застопорить поршень 18 со штоком 20 в верхнем положении. Этого не происходит потому, что давления, воздействующего на фиксатор 24, будет достаточно для преодоления усилия пружины 25 и удержания его в положении I. Данная ситуация позволяет поршню 18 находится в свободном состоянии и зависеть только от разности давлений над и под поршнем и жесткости пружины 21. И так как при разгерметизации гидросистемы баланс этих давлений нарушается, шток 20 должен незамедлительно освободить плунжер 9 из зацепления, где последний под давлением РЖ переместится вправо и перекроет запорную камеру 12. Но на практике этого не происходит, так как в действие вступает принцип работы дроссельного устройства 16, заключающийся в том, что с учетом гидравлических потерь и заданной его пропускной способностью, РЖ в верхнюю часть рабочей камеры 17 будет поступать медленно, то есть с некоторой задержкой. Время, за которое в рабочую камеру поступит необходимый объем РЖ, позволяющий вывести плунжер из зацепления со штоком, и есть время задержки на срабатывание. Резьбовое соединение, связывающее дроссельное устройство 16 с корпусом клапана 1, позволяет осуществлять настройку клапана на требуемое время задержки срабатывания, путем увеличения либо уменьшения своей пропускной способности. При этом в нижней части рабочей камеры 17 установлен регулировочный болт 22 с посадочной поверхностью под пружину 21 и стопорное кольцо 23, выполняющее функцию хода поршня 18. В случае прекращения работы исполнительными органами 31 или 32 (золотники в нейтральном положении) РЖ пойдет на слив в бак или в четырехсекционный гидрораспределитель (при совмещении операций например: стрелы с рукоятью или ковшом на одноковшовых экскаваторах). Следовательно, давление в трубопроводе 8 обратной связи и давления в нижней части рабочей камеры 17 и магистрали 26 отсутствует. Фиксатор 24 под действием пружины 25 переместиться вправо и, войдя в зацепление с посадочной поверхностью 28, зафиксирует поршень 18, не дав тем самым, освободить плунжер 9, запереть запорную камеру 12 и прекратить подачу РЖ к последующему гидрораспределителю. Остановка поршня 18 (положение II) фиксатором 24 произойдет быстрее, чем давление в верхней части рабочей камеры 17 в условиях отсутствия давления в нижней части рабочей камеры (сработает принцип задержки на срабатывание) переместит поршень 18 со штоком 20 вниз и освободит плунжер 9.

Так как исполнительные органы 31 и 32 CM, «запитывающиеся» от гидрораспределителя 33, выполняют работу (поворот поворотной платформы, повороты СМ направо, работа навесного сменного оборудования) последовательно друг за другом при включении одного из трех золотников распределителя 33, отвечающего за тот или иной исполнительный орган, то и количество ГРВД 30, подлежащих защите, соответствует количеству исполнительных органов, умноженному на два (по числу напорных и сливных гидролиний). При этом обратные связи, подключенные к РВД (в контролируемых точках), отделены между собой обратными клапанами 29, что исключает перетечку РЖ из одного ГРВД в другой и нарушения функционирования системы.

Устройство технологично, не сложно в изготовлении и применимо для защиты гидросистем, функционирующих в режиме переменных гидравлических условий работы.

Надежная работа предлагаемого клапана в системах гидравлического привода промышленного рабочего оборудования, функционирующего в режиме переменных гидродинамических условий работы системы, достигается путем совмещения принципа предельной разности давления за счет движения рабочей жидкости в корпусе 1 и разности давления в контролируемой точке и в напорной магистрали 4. Кроме того, наличие в дренажном канале, соединяющем импульсную камеру 13 с верхней частью рабочей камеры 17, регулируемого дроссельного устройства 16 дает возможность более точно изменять порог срабатывания клапанной системы аварийного отключения по времени, а применение стопорного кольца 23 для фиксации хода поршня 18 позволяет снизить металлоемкость конструкции, одновременно повысив ее технологичность. Ввод фиксатора нейтрального положения 24, пружины 25, а также перепускной магистрали 26, соединенной с трубопроводом обратной связи 8 с одной стороны и посредством переливного отверстия 27 в поршне 18 с рабочей камерой 17 корпуса 1 с другой, позволяет осуществлять фиксацию поршня 18 при переходе гидрораспределителя 33 из рабочего на холостой режим работы (при перемещении золотников гидрораспределителя 33 в нейтральное положение и подачи потока РЖ через нейтральную магистраль 34 к четырехсекционному распределителю) и обратно. Гребенка параллельно установленных обратных клапанов 29 с одной стороны соединена с трубопроводом обратной связи 8, а с другой - с гибкими рукавами высокого давления 30, которые подлежат защите при работе исполнительных органов (гидромоторы и гидроцилиндры, запитанные от гидрораспределителя 33).

Настоящее изобретение может быть использовано в машиностроении при создании различного промышленного оборудования и машин, например экскаваторов или бульдозеров, с системами гидравлического привода.

Клапанная система аварийного отключения, содержащая корпус со смежными камерами, седлом, входным и выходным отверстиями, сообщенными с трубопроводами, имеющими обратную связь, причем полости двух камер выполнены в виде каналов и сообщены между собой, во входной полости одной из камер установлен регулятор перепада давления, седло установлено в месте сопряжения трубопровода с выходным отверстием, полость другой камеры посредством дренажного канала сообщена с третьей камерой и одновременно с импульсным трубопроводом, соединенным с напорным трубопроводом, при этом внутри третьей камеры размещены подвижный поршень с уплотнительной поверхностью, подпружиненный со стороны фиксатора хода поршня, и регулировочный болт с посадочной поверхностью под пружину, связанный с корпусом посредством резьбового соединения, причем в смежной камере расположен запорный орган, выполненный в виде плунжера, подпружиненного относительно корпуса возвратной пружиной и снабженного ограничителем обратного хода, и находящийся со штоком поршня в зацеплении в рабочем состоянии системы, в дренажном канале установлено регулируемое дроссельное устройство в виде вентиля с конусом, а фиксатор хода поршня выполнен в виде стопорного кольца, расположенного в нижней части рабочей камеры выше входного канала трубопровода обратной связи, отличающаяся тем, что на поршне установлен фиксатор нейтрального положения, выполненный в виде цилиндрического стопора, установленного в выполненном в поршне глухом отверстии, фиксатор подпружинен относительно поршня и выполнен с выпуклой торцевой стенкой, глухое отверстие сообщено посредством перепускной магистрали с трубопроводом обратной связи со стороны выпуклой торцевой поверхности фиксатора и посредством переливного отверстия в поршне с рабочей камерой корпуса, при этом перепускная магистраль выполнена с посадочным седлом, сопряженным с выпуклой торцевой стенкой фиксатора в верхнем положении поршня, трубопровод обратной связи через гребенку параллельно подключенных обратных клапанов подключен к гибким рукавам высокого давления, соединенным в продолжение напорным линиям гидрораспределителя к устройствам привода, например гидромоторам или гидроцилиндрам.