RU2014536C1

RU2014536C1 - Gate valve

Info

Publication number: RU2014536C1
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Кузьмин; Игорь Михайлович Шатохин
Original assignee: Александр Леонидович Кузьмин; Игорь Михайлович Шатохин
Priority date: 1991-09-06
Filing date: 1991-09-06
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: manufacture of fittings. SUBSTANCE: gate valve has body 1 with inlet passage 2, outlet passage 3 and seat 4. Stem 5 is provided with recess 13. Disks 7 and 8 have holes in their centers which receive valve 12. Pusher of valve 12 is engageable with recess 13 of stem 5. Disks 7 and 8 are connected by means of diaphragms 10 and form diaphragm box together with them. Diameter of diaphragm box is more than diameter of circular sealing member 9. Secured rigidly on disk 8 is carriage 14 which rests against wall of the body through rollers 15 which are connected by means of cages 16. Circular seal 9 is mounted on disk 7. EFFECT: simplified construction, enhanced reliability and response. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к арматуростроению и может быть использовано в качестве запорного или регулирующего устройства в напорных трубопроводах различного назначения. The invention relates to valve engineering and can be used as a shut-off or control device in pressure pipelines for various purposes.

Известны задвижки, содержащие корпус, входной и выходной патрубки с седлами, диски с уплотнительными элементами и механизм прижима дисков к седлам, выполненный, например, в виде рычажно-шарнирного привода (см. например, авт. св. СССР N 567882, кл. F 16 K 3/10, 0,5.08.77, авт.св. N 1086269, кл. F 16 K 3/18, 15.04.84). Known valves containing a housing, inlet and outlet nozzles with saddles, disks with sealing elements and a mechanism for clamping disks to saddles, made, for example, in the form of a lever-articulated drive (see, for example, ed. St. USSR N 567882, class F 16 K 3/10, 0.5.08.77, ed. St. N 1086269, class F 16 K 3/18, 04.15.84).

Основным недостатком задвижек данного типа является их низкая надежность, сложность конструкции и недостаточное быстродействие, обусловленные необходимостью приложения больших механических сил для перемещения дисков в двух направлениях - вертикальном для вывода из зоны потока рабочей среды и горизонтальном для прижима уплотнительных элементов. Кроме того, такие задвижки имеют увеличенные габариты и массу из-за громоздкости механических узлов. The main disadvantage of valves of this type is their low reliability, design complexity and lack of speed, due to the need for large mechanical forces to move the disks in two directions - vertical for withdrawing from the flow zone of the working medium and horizontal for pressing the sealing elements. In addition, such valves have increased dimensions and weight due to the bulkiness of the mechanical components.

Другим типом задвижек являются задвижки, в которых перемещение запирающих органов осуществляется гидравлическим или пневматически приводом. При этом запирающие органы, как правило, перемещаются вертикально от механического привода и прижимаются к седлам принудительно с помощью гидравлических или пневматических устройств, приводимых в действие от отдельных пневмогидроприводов (см. авт.св. СССР N 509745, кл. F 16 K 3/10, 14.11.74). Another type of gate valve is a gate valve in which the movement of the locking bodies is carried out hydraulically or pneumatically by an actuator. In this case, the locking bodies, as a rule, are moved vertically from the mechanical drive and pressed against the saddles by force of hydraulic or pneumatic devices driven by separate pneumohydraulic actuators (see ed. St. USSR N 509745, class F 16 K 3/10 , 11/14/74).

Наиболее близком к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является задвижка, включающая корпус, шток управления и шиберный затвор, выполненный в виде установленной на каретке круглой мембранной коробки, снабженной кольцевым уплотнительным элементом и состоящей из двух жестких дисков, герметично соединенных между собой связкой линзовых компенсаторов или мембран (см. авт.св. СССР N 435408, кл. F 16 K 3/10, 15.11.1971). В данном устройстве полость мембранной коробки соединена с магистралью командного давления через полость штока, а каретка затвора перемещается в корпусе, опираясь на оси роликов, взаимодействующих с направляющими консольными рейками корпуса. The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a valve comprising a housing, a control rod and a slide gate, made in the form of a round membrane box mounted on a carriage, equipped with an annular sealing element and consisting of two hard disks, tightly interconnected by a bunch of lens compensators or membranes (see ed. St. USSR N 435408, class F 16 K 3/10, 11/15/1971). In this device, the membrane box cavity is connected to the command pressure line through the stem cavity, and the shutter carriage moves in the housing, relying on the axis of the rollers interacting with the guide console rails of the housing.

Недостатком задвижки-прототипа является наличие постороннего источника командного давления. В связи с этим требуется дополнительный трубопровод для передачи давления в полость мембранной коробки и отдельные элементы управления командным давлением. Такое конструктивное выполнение снижает надежность и быстродействие задвижки особенно при работе в условиях высокого давления запираемого потока. Кроме того, опоры качения в виде роликов с консольными осями ограниченного сечения и направляющие консольные рейки не могут воспринимать большие нагрузки от статического и динамического давления запираемой среды в момент переключения затвора, а трение при скольжении осей роликов увеличивает нагрузку на привод перемещения. The disadvantage of the prototype gate valve is the presence of an external source of command pressure. In this regard, an additional pipeline is required to transfer pressure to the cavity of the membrane box and separate control elements for command pressure. This design reduces the reliability and speed of the valve especially when working in conditions of high pressure shut-off flow. In addition, rolling bearings in the form of rollers with cantilever axles of limited cross section and guide cantilever rails cannot absorb heavy loads from the static and dynamic pressure of the medium being locked at the moment the shutter is switched, and friction when sliding the axes of the rollers increases the load on the displacement drive.

Недостатком задвижки-прототипа является также то, что тонкие элементы стенок мембранной коробки при высоких перепадах давления между внутренней и наружной ее полостями будут разрушаться от недопустимых деформаций. При увеличении толщины стенок мембран снизится их рабочий ресурс, так как они работают в условиях знакопеременных нагрузок. The disadvantage of the prototype gate valve is that the thin elements of the walls of the membrane box at high pressure drops between its internal and external cavities will be destroyed by unacceptable deformations. With an increase in the thickness of the walls of the membranes, their working life will decrease, since they work under conditions of alternating loads.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции задвижки, повышение ее надежности и быстродействия. The aim of the invention is to eliminate these drawbacks, namely, simplifying the design of the valve, increasing its reliability and speed.

Цель достигается тем, что в известной задвижке включающей корпус, шток управления и шиберный затвор, выполненный в виде установленной на каретке круглой мембранной коробки, снабженной кольцевым уплотнительным элементом и состоящей из двух жестких дисков, герметично соединенных между собой связкой мембран, согласно которыми установлен запорный клапан, имеющий седло, расположенное на диске, прикрепленном непосредственно к каретке, при этом клапан снабжен толкателем, образующим с выемкой на штоке кинематическую пару, а диаметр внутренней полости мембранной коробки превышает наружный диаметр кольцевого уплотнительного элемента. The goal is achieved in that in the known valve comprising a housing, a control rod and a slide gate, made in the form of a round membrane box mounted on a carriage, equipped with an annular sealing element and consisting of two hard disks, hermetically connected to each other by a bunch of membranes, according to which a shut-off valve is installed having a seat located on a disk attached directly to the carriage, the valve is equipped with a pusher forming a kinematic pair with a recess on the rod, and the diameter is internally membrane cavity boxes larger than the outer diameter of the annular sealing member.

Дополнительно к этому мембраны, соединяющие диски, скреплены с ними вблизи кромок центральных отверстий и выполнены с возможностью прилегания к торцам дисков всей своей торцевой поверхностью. Кроме того, каретка и корпус снабжены опорными и направляющими плоскостями, между которыми вставлены ролики, связанные сепараторами в виде двух отдельных блоков, при этом направляющие пазы снабжены ограничительными тупиками, причем расстояние от тупиков до открытых концов пазов превышает длину роликовых блоков на 0,5 длины перестановочного хода затвора задвижки. In addition, the membranes connecting the disks are bonded to them near the edges of the central holes and are made to fit to the ends of the disks with their entire end surface. In addition, the carriage and the housing are provided with support and guide planes, between which rollers are inserted, connected by separators in the form of two separate blocks, while the guide grooves are provided with restrictive dead ends, and the distance from the dead ends to the open ends of the grooves exceeds the length of the roller blocks by 0.5 lengths permutation stroke of the shutter bolt.

Для выяснения соответствия критерию "существенные отличия" был проведен поиск решений, содержащих совокупность указанных отличительных признаков. В результате поиска таких решений обнаружено не было, что позволяет считать предлагаемое решение соответствующим критерию "существенные отличия". Следует обратить внимание, что заявленная совокупность признаков является функционально самостоятельной совокупностью, т.е. все признаки взаимосвязаны друг с другом и их взаимосвязь носит устойчивый характер. Только благодаря этой взаимосвязи достигается положительный эффект, который не может быть получен от простого суммирования признаков, составляющих совокупность. To determine compliance with the criterion of "significant differences", a search was conducted for solutions containing a combination of these distinctive features. As a result of the search for such solutions, it was not found, which allows us to consider the proposed solution as meeting the criterion of "significant differences". It should be noted that the claimed combination of features is a functionally independent collection, i.e. all signs are interconnected with each other and their relationship is sustainable. Only thanks to this relationship is a positive effect achieved that cannot be obtained from a simple summation of the characteristics that make up the totality.

На фиг. 1 изображена предлагаемая задвижка, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение. In FIG. 1 shows the proposed valve, a longitudinal section; in FIG. 2 - the same, cross section.

Задвижка включает корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами и седлом 4 затвора. Затвор снабжен органом управления, выполненным в виде штока 5 с рукояткой 6. Затвор содержит два диска 7 и 8. На одном из дисков (диске 7) установлен кольцевой уплотнительный элемент 9. Оба диска соединены между собой мембранами 10 и вместе с ними образуют мембранную коробку, внутренняя полость которой с одной стороны через дроссельное отверстие 11 в диске 7 соединена с входным каналом 2, а с другой стороны через клапан 12, седло которого установлено во втором диске 8, - с выходным каналом 3, при этом торец толкателя клапана 12 установлен с возможностью взаимодействия с поверхностью штока 5, которая в зоне контакта с толкателем имеет выемку 13, образующую на поверхности штока кулачковый профиль. К второму диску жестко прикреплена каретка 14, в боковых пазах которой размещены ролики 15 с рамками сепараторов 16. Каретка имеет канал 17 с направляющим патрубком 18 для пропуска среды через задвижку в открытом ее положении. Шток 5 уложен в канал квадратного сечения, образованный пазами на диске 8 и каретке 14 и может свободно проворачиваться в канале вокруг своей оси рукояткой 6. Продольная фиксация штока относительно затвора обеспечивается узлом 19. The valve includes a housing 1 with input 2 and output 3 channels and a valve seat 4. The shutter is equipped with a control element made in the form of a rod 5 with a handle 6. The shutter contains two disks 7 and 8. An annular sealing element 9 is installed on one of the disks (disk 7). Both disks are interconnected by membranes 10 and together form a membrane box , the internal cavity of which, on the one hand, through the throttle hole 11 in the disk 7 is connected to the inlet channel 2, and on the other hand, through the valve 12, the seat of which is installed in the second disk 8, to the output channel 3, while the end of the valve follower 12 is installed with the opportunity interaction with the surface of the rod 5, which in the zone of contact with the pusher has a recess 13, forming a cam profile on the surface of the rod. A carriage 14 is rigidly attached to the second disk, in the lateral grooves of which are placed rollers 15 with separator frames 16. The carriage has a channel 17 with a guide pipe 18 for passing the medium through the valve in its open position. The rod 5 is laid in a square channel formed by the grooves on the disk 8 and the carriage 14 and can freely rotate in the channel around its axis with the handle 6. The longitudinal fixation of the rod relative to the shutter is provided by the node 19.

Особенностью конструкции задвижки является длина свободного пространства в боковых пазах каретки 14, ограниченная тупиками пазов и торцами рамок сепараторов при позиции затвора в положении "закрыто". Эта длина должна составлять половину длины полного хода затвора (Н). Зазор (δ ) между дисками 7 и 8 обеспечивает размыкание седла 4 и уплотнительного элемента 9 при сжатии мембранной коробки до соприкосновения ее внутренних поверхностей. При сборке задвижки обеспечивают установку затвора в корпусе при напряженном сжатом состоянии мембранной коробки и гарантированном зазоре δ . За счет упругости мембран роликовые блоки защемлены в пазах и удерживаются в заданном положении без проскальзывания от собственного веса или инерционных нагрузок. The design feature of the valve is the length of the free space in the side grooves of the carriage 14, limited by the dead ends of the grooves and the ends of the separator frames at the shutter position in the closed position. This length should be half the full stroke of the shutter (N). The gap (δ) between the disks 7 and 8 ensures the opening of the seat 4 and the sealing element 9 during compression of the membrane box to the contact of its internal surfaces. When assembling the valve, the shutter is installed in the housing with the compressed compressed state of the membrane box and the guaranteed gap δ. Due to the elasticity of the membranes, the roller blocks are pinched in the grooves and held in position without slipping from their own weight or inertial loads.

Диаметр внутренней полости мембранной коробки выбирается расчетом в зависимости от необходимого удельного давления на уплотнительный элемент. Дроссельное отверстие 11 в диске 7 подбирается с такими параметрами, чтобы гидравлическое сопротивление входного канала, образованного этим отверстием и направляющей клапана 12, превышало гидравлическое сопротивление выходного канала в диске 8 при полном открытии клапана поворотом штока 5 на соответствующий угол. The diameter of the inner cavity of the membrane box is selected by calculation depending on the required specific pressure on the sealing element. The throttle hole 11 in the disk 7 is selected with such parameters that the hydraulic resistance of the inlet channel formed by this hole and the valve guide 12 exceeds the hydraulic resistance of the output channel in the disk 8 when the valve is fully opened by turning the stem 5 by an appropriate angle.

Задвижка работает следующим образом. The valve operates as follows.

Для перестановки затвора в положение "открыто" или "закрыто" рукояткой 6 шток 5 поворачивают в положение когда клапан 12 открыт (фиг. 1 и 2). В этом положении затвор задвижки можно перемещать в корпусе в любое положение без взаимного трения уплотнительных поверхностей, поскольку при постепенном перекрытии трубопровода давлением запираемой среды мембранная коробка благодаря указанному выше соотношению гидравлических сопротивлений каналов сжимается на ход δ . Такой же зазор возникает между уплотнением 9 и седлом 4. Нагрузка от перепада давления на затворе воспринимается роликами 15 и корпусом 1. Из этого положения затвор легко перемещается в корпусе, поскольку коэффициент трения качения на роликах составляет малую величину (0,005-0,01). To move the shutter to the "open" or "closed" position by the handle 6, the rod 5 is turned to the position when the valve 12 is open (Fig. 1 and 2). In this position, the valve shutter can be moved in the housing to any position without mutual friction of the sealing surfaces, since when the pipeline is gradually blocked by the pressure of the medium being closed, the membrane box is compressed by the stroke δ due to the above ratio of channel hydraulic resistances. The same gap occurs between the seal 9 and the seat 4. The load due to the differential pressure across the valve is perceived by the rollers 15 and the housing 1. From this position, the valve moves easily in the housing, since the rolling friction coefficient on the rollers is small (0.005-0.01).

Для герметичного перекрытия трубопровода рукояткой 6 поворачивают шток 5 на заданный угол. При этом исчезает подпор толкателя клапана 12, и он давлением рабочей среды мгновенно закрывается. Давление в полости мембранной коробки повышается до уровня давления в трубопроводе. Так как торцевая площадь полости коробки больше площади диска, ограниченной кольцевым уплотнением, происходит прижим уплотнения к седлу. To seal the pipeline by the handle 6, turn the rod 5 by a predetermined angle. In this case, the support of the valve follower 12 disappears, and it instantly closes with the pressure of the working medium. The pressure in the cavity of the membrane box rises to the pressure level in the pipeline. Since the end area of the box cavity is larger than the disk area bounded by the ring seal, the seal is pressed against the seat.

Открытие затвора осуществляют в обратном порядке, поворачивают шток 5 рукояткой 6, открывая тем самым клапан 12 и стравливая давление из полости мембранной коробки. Последняя сжимается под действием давления среды в трубопроводе и уплотнительный узел размыкается, затем перемещают затвор в крайнее верхнее положение. При этом отверстие 17 с направляющим патрубком 18 образуют цилиндрический проточный канал, полностью сохраняющий геометрию потока в трубопроводе. The opening of the shutter is carried out in the reverse order, the rod 5 is turned by the handle 6, thereby opening the valve 12 and venting the pressure from the cavity of the membrane box. The latter is compressed by the pressure of the medium in the pipeline and the sealing assembly opens, then the shutter is moved to its highest position. In this case, the hole 17 with the guide pipe 18 form a cylindrical flow channel that fully preserves the geometry of the flow in the pipeline.

При начальном передвижении затвора в корпусе из положения "закрыто" блоки роликов 15 прижаты к стенке корпуса давлением среды с большой силой. Поэтому их проскальзывание в пазах исключено. По мере подъема затвора сила прижима ослабевает. Близко к крайнему положению "открыто" сила давления потока среды почти исчезает и ролики прижимаются к стенке только силой упругости мембранной коробки. В этом положении тупики боковых пазов каретки 14 приближаются к рамкам сепараторов 16. Если происходит некоторое рассогласование перемещения левого и правого блока роликов, то один из них раньше уткнется в тупик и при полном подъеме затвора произойдет выравнивание блоков в правильное исходное положение перед обратным движением затвора. При закрытии затвора сила защемления роликов нарастает за счет давления потока на затвор. Так как проскальзывание их при этом исключается, то рассогласование положения роликов левого и правого блоков может составлять незначительную величину, обусловленную неточностью изготовления диаметров роликов. При каждом полном открытии затвора рассогласование устраняется и накопление ошибки положения роликовых блоков не происходит. During the initial movement of the shutter in the housing from the “closed” position, the blocks of rollers 15 are pressed against the wall of the housing by the pressure of the medium with great force. Therefore, their slipping in the grooves is excluded. As the shutter rises, the clamping force weakens. Close to the extreme position, the "open" pressure force of the medium flow almost disappears and the rollers are pressed against the wall only by the elastic force of the membrane box. In this position, the dead ends of the side grooves of the carriage 14 approach the frames of the separators 16. If there is some mismatch in the movement of the left and right block of rollers, then one of them will bump into the dead end and when the shutter is fully raised, the blocks will be aligned to the correct initial position before the shutter moves backwards. When the shutter closes, the pinch force of the rollers increases due to the flow pressure on the shutter. Since their slippage is thus excluded, the mismatch of the position of the rollers of the left and right blocks can be insignificant due to inaccuracy in the manufacture of the diameters of the rollers. With each full opening of the shutter, the mismatch is eliminated and the accumulation of position error of the roller blocks does not occur.

В задвижках с небольшим диаметром условного прохода вместо роликов можно применять опоры из антифрикционного материала, например фторопласта. В других случаях, например, для задвижек с большим диаметром условного прохода стабилизацию положения блоков катков можно осуществить другими мерами, например выполняя блоки в виде бесконечных роликовых конвейеров с гибким сепаратором. In valves with a small nominal diameter, instead of rollers, supports made of antifriction material, for example fluoroplastic, can be used. In other cases, for example, for gate valves with a large nominal diameter, the stabilization of the position of the roller blocks can be carried out by other measures, for example, by making blocks in the form of endless roller conveyors with a flexible separator.

Предлагаемая задвижка обладает рядом принципиальных технических преимуществ перед аналогами. Износ поверхностей уплотнения в ней за счет их взаимного трения в момент переключения практически исключен. Вследствие малого хода δ (практически меньше 0,5 мм) мембраны, образующие мембранную коробку, работают в области малых упругих деформаций. В этих условиях достигается большое число рабочих циклов "сжатия-растяжения" мембран. Задвижка сохраняет высокую герметичность уплотнения затвора в условиях вибрации и температурных перепадов, так как все происходящие при этом изменения в уплотнительном узле мгновенно компенсируются упругим поджатием поверхности уплотнения. Все элементы затвора могут выполняться полностью из жаростойких, коррозионностойких и других специальных материалов, расширяющих сферу применения задвижки. Использование предлагаемой задвижки по сравнению с известной позволяет упростить конструкцию, повысить ее надежность и быстродействие. The proposed valve has a number of fundamental technical advantages over analogues. The wear of the sealing surfaces in it due to their mutual friction at the time of switching is practically excluded. Due to the small stroke δ (almost less than 0.5 mm), the membranes forming the membrane box operate in the region of small elastic deformations. Under these conditions, a large number of "compression-extension" cycles of the membranes are achieved. The valve retains the high tightness of the valve seal under vibration and temperature extremes, since all changes that occur in this case in the sealing assembly are instantly compensated by elastic preload of the seal surface. All shutter elements can be made entirely of heat-resistant, corrosion-resistant and other special materials that expand the scope of the valve. The use of the proposed valve in comparison with the known allows to simplify the design, increase its reliability and speed.

С учетом оборудования задвижки приводным механизмом могут быть реализованы следующие ее параметры: диаметр условного прохода 40-1200 мм; давление перекрываемой среды 0,2-40 МПа; быстродействие до 1-2 с; предельное число рабочих циклов мембранной коробки до 10⁶ раз; степень герметичности перекрытия трубопровода - до высшего класса.Taking into account the valve equipment with a drive mechanism, its following parameters can be implemented: nominal diameter 40-1200 mm; pressure of the overlapping medium 0.2-40 MPa; speed up to 1-2 s; limit number of operating cycles of the membrane box up to 10 ⁶ times; the degree of tightness of the pipeline overlap is up to the highest class.

Высокие параметры задвижки обеспечиваются при сравнительно простой конструкции основных деталей и умеренных требованиях к точности их изготовления. Предлагаемая задвижка позволяет снизить затраты на изготовление арматуры высокого класса, повысить безопасность эксплуатации трубопроводов высокого давления и снизить мощность привода для управления задвижкой. High valve parameters are provided with a relatively simple design of the main parts and moderate requirements for the accuracy of their manufacture. The proposed valve allows you to reduce the cost of manufacturing high-class valves, increase the safety of high pressure pipelines and reduce the drive power to control the valve.

Наибольший эффект от использования изобретения можно получить в энергетической арматуре высоких параметров, в газопроводах и нефтепроводах большого диаметра, особенно там, где важно снижение перестановочных усилий на органах управления, а также в металлургии в качестве отсечных и регулирующих устройств для управления технологическими потоками кислорода и топлива, подаваемого в сталеплавильные агрегаты. Для таких устройств большое значение имеют быстродействие управления потоками и достижение надежной герметичности запорной арматуры. The greatest effect from the use of the invention can be obtained in power fittings of high parameters, in gas pipelines and large diameter oil pipelines, especially where it is important to reduce the switching forces on the controls, as well as in metallurgy as shut-off and control devices for controlling the process flows of oxygen and fuel, fed to steelmaking units. For such devices, the speed of flow control and the achievement of reliable tightness of shutoff valves are of great importance.

Claims

1. A LATCH comprising a housing, a control rod and a slide gate made in the form of a round membrane box mounted on a carriage equipped with an annular sealing element and consisting of two hard disks hermetically connected to each other by a bunch of membranes, characterized in that the centers of the disks are made through holes, between which a shut-off valve is installed, having a seat located on a disk attached to the carriage, while the valve is equipped with a pusher forming a kinematic pair with a recess on the rod, and a meter of the inner cavity of the membrane box is larger than the outer diameter of the annular sealing element.

2. The valve according to claim 1, characterized in that the membranes connecting the disks are fastened to them near the edges of the central holes and are made to fit to the ends of the disks with their entire end surface.

3. The valve according to claim 1, characterized in that the carriage and the housing are provided with support and guide planes, between which are inserted rollers connected by separators in the form of two separate blocks, while the guide grooves are provided with restrictive dead ends, the distance from the dead ends to the open ends of the grooves more than the length of the roller blocks by half the length of the permutation stroke of the valve shutter.