RU2303730C2 - Устройство поршня и клапан подачи жидкости - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам поршня для движения в двух направлениях по оси в поршневых цилиндрах. В углублении поршня, выполненном в наружной его части, установлен упругий уплотнительный элемент. Ширина по оси и, по меньшей мере, в некоторых местах радиальная глубина углубления превышают диаметр поперечного сечения уплотнительного элемента, который способен перемещаться благодаря разности давления двух сторон между первым и вторым положением, в результате чего попеременно обеспечивается совокупная площадь поперечного сечения, по большей мере, А1 и площадь А0 поперечного сечения, или совокупная площадь, по большей мере, А2 поперечного сечения и площадь А0 поперечного сечения. А1 и А2 существенно меньше, чем А0. Изобретение также касается клапана подачи жидкости, включающего это устройство поршня для обеспечения прохождения жидкости в заданном количестве или в течение определенного периода времени из источника жидкости под давлением. Изобретение повышает надежность работы устройства поршня. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к устройству поршня для движения в двух направлениях по оси в поршневом цилиндре, содержащем жидкость, устройство поршня имеет первую сторону, обращенную к первой камере, и вторую сторону, обращенную к второй камере, поршневой шток закреплен на первой или второй стороне поршня, и в углублении, выполненном в наружной части поршня, установлено уплотнительное кольцо, выполненное из упругого материала и имеющее заданный диаметр поперечного сечения, которое уплотняет стенку поршневого цилиндра. Изобретение также относится к клапану подачи жидкости для обеспечения прохождения жидкости в заданном количестве или в течение заданного периода времени из источника жидкости под давлением.

В системах подачи жидкости, например в системах водопроводных труб, часто возникает необходимость дозирования определенных количеств жидкости или временное дозирование жидкости. Для этой цели существуют клапаны, например так называемые «Гильзовые клапаны», которые используются в туалетах для слива. В этом устройстве содержится мембрана и относительно длинная и узкая трубка приблизительно 50 мкм в поперечном сечении, которая ограничивает давление воды и, образуя вспомогательный поток, блокирует проход потока жидкости после заполнения определенного объема. При использовании, жидкость протекает через тонкий проход каждый раз в одном и том же направлении и, вследствие этого, твердые загрязняющие вещества, которые попадаются в жидкости, могут забить узкий проход. В таком случае клапан следует разбирать и удалять эти загрязняющие вещества из трубки с помощью тонкого проволочного штыря, что в обслуживании является трудоемкой работой.

Патент США №4057074 описывает конструкцию клапана, который обеспечен рабочим поршнем, перемещающимся в двух направлениях. Согласно описанию, эта конструкция может работать даже в случае больших перепадов давления, существующих между двумя сторонами, посредством использования пружины, установленной в одной из полостей с жидкостью. Однако сам по себе этот элемент может быть причиной неполадок.

Цель настоящего изобретения - обеспечить простой, надежный поршень, и с ним, устройство клапана подачи жидкости, которые не требуют ремонта в процессе эксплуатации, которые работают в пределах больших диапазонов, с которыми поток проходящей жидкости может быть стабилизирован или может быть изменен в соответствии с выбранной характеристикой и которые могут быть изготовлены с небольшими материальными затратами.

Было выяснено, что:

- при использовании поршня, который содержит упругий уплотнительный элемент, расположенный в зоне его края, где уплотнительный элемент способен занимать два разных положения и перемещаться между ними, может быть обеспечено разное поперечное сечение потока, вследствие чего может быть достигнута различная скорость потока;

- два положения могут соответствовать двум различным управлениям потока, в результате чего, например, удаление возможных загрязняющих веществ может происходить самоочисткой.

Для достижения цели настоящего изобретения предложено устройство поршня, упомянутое во введении описания изобретения, в котором ширина по оси и, по меньшей мере, в некоторых местах радиальная глубина углубления, выполненного в наружной части поршня, превышают диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца, уплотнительное кольцо установлено в углублении таким образом, что оно способно перемещаться благодаря разности давления между первой стороной и второй стороной, между первым положением, обращенным к первой стороне, и вторым положением, обращенным к второй стороне, и, когда уплотнительное кольцо находится в своем первом положении, совокупная площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением и первой стороной поршня составляет А1, а площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением и второй стороной поршня составляет А0, однако, когда уплотнительное кольцо находится в своем втором положении, совокупная площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением и второй стороной поршня составляет А2, а площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением и первой стороной поршня составляет А0, где наименьшее из А1 и А2 меньше, чем А0 на порядки величины.

В другом примере реализации, где прохождение потока жидкости стабилизируется вне зависимости от изменений давления, в устройстве поршня, упомянутом во введении, путь прохождения потока, имеющий совокупную площадь А1, создается одним или более отверстиями в виде радиальных бороздок, канавок, ребер или рельефов в одном или более мест на опорном участке для уплотнительного элемента поршня, которые сужаются уплотнительным элементом пропорционально разности давления, когда давление во второй камере, превышающее давление в первой камере, упруго деформирует уплотнительный элемент.

Изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

Фигуры 1А и 1В схематично показывают принцип действия устройства клапана подачи жидкости согласно изобретению, с двумя различными направлениями перемещения;

Фигуры 2А и 2В показывают поперечное сечение клапана подачи жидкости согласно изобретению, с двумя различными направлениями перемещения;

Фигуры 3А, 3В и 3С схематично показывают поперечное сечение уплотнительного элемента и углубление поршня согласно изобретению, в различных положениях и применении, в котором уплотнительным элементом является уплотнительное кольцо;

Фигуры 4А и 4В показывают два возможных профиля углублений, выполненных в боковой стенке поршневого цилиндра согласно изобретению, для заданного потока;

Фигуры 5А и 5В показывают вид сбоку поршня клапана подачи жидкости по фигурам 2А и 2В с двумя различными направлениями перемещения, имеющего уплотнительный элемент, выполненный с другим профилем в его поперечном сечении;

Фигуры 6А и 6В показывают регулирующую функцию для выравнивания давления проходящего потока, уплотнительного элемента поршня согласно изобретению.

Устройство поршня, показанное на фигурах 1А, 1В, 2А и 2В, содержит поршень, выполненный с возможностью перемещения в поршневом цилиндре 1, имеющем круглое поперечное сечение, поршневой шток 4, установленный на поршне 1, и вспомогательный поршень 3, установленный на поршневом штоке 4. Стрелка показывает направление потока жидкости, когда вспомогательный поршень 3 находится в открытом положении. Закрытая полость, ограниченная поршнем 1, образует первую камеру К1, а полость с жидкостью, соединенная с системой подачи жидкости, сообщающей ее со второй стороной поршня 1, когда вспомогательный поршень 3 находится в открытом положении, может считаться второй камерой К2, которая может иметь давление, отличающееся от давления первой камеры К1. На наружной части поршня 1, на его кромке выполнено углубление 6, которое показано на фигурах 1А и 1В в схематическом виде с представлением только его внутренней формы. В углублении 6 установлен уплотнительный элемент, которым в данном примере является уплотнительное кольцо 5, имеющее круглое поперечное сечение и выполненное из обычного упругого материала, диаметр которого меньше, чем ширина по оси, и по меньшей мере в некоторых местах меньше, чем радиальная глубина углубления 6. В Результате, уплотнительное кольцо 5, выполняющее функцию уплотнения, способно занимать два различных конкретных положения, в зависимости от разности давлений, преобладающих в первой камере К1 и второй камере К2, образованных на первой стороне и второй стороне поршня 1, соответственно. В обоих положениях устройство поршня является до определенной степени проницаемым для жидкости. Предположительно, в первом положении уплотнительного кольца 5 совокупный путь прохождения потока между углублением 6 и первой стороной поршня 1 (левая сторона на фигурах 1 и 2) имеет площадь А1 поперечного сечения, определяющую проходящий поток жидкости, а совокупный проходящий поток между углублением 6 и второй стороной поршня 1 (правая сторона на фигурах 1 и 2) имеет площадь А2 поперечного сечения во втором положении. Если гидравлическое давление выше во второй камере К2, тогда уплотнительное кольцо находится в своем первом положении, поршень 1 движется в направлении стрелки М, показанном на фигуре 2А, и зазор, имеющий поперечное сечение, соответствующее площади А1, определяет проходящий поток жидкости, то есть скорость заполнения первой камеры К1 и, следовательно, отрезок времени до тех пор, пока вспомогательный поршень 3 на штоке 4 поршня не закроет свободный поток жидкости по стрелке, указывающей направление потока. Перемещение штока 4 поршня в противоположном направлении будет изменять условия разности давления между первой камерой К1 и второй камерой К2, вследствие чего во втором положении уплотнительного кольца 5 (фигура 2В) жидкость, находящаяся в первой камере К1, может протекать во вторую камеру К2 через площадь А2 поперечного сечения. Символические стрелки на фигурах 1В и 2В, имеющие большую толщину, чем стрелки на фигурах 1А и 2А, обозначают больший поток жидкости, проходящей с большей скоростью. При воздействии на поршень 1 посредством определенного механизма, его заставляют перемещаться в направлении к первой камере К1. Этим механизмом может быть клапан для направления жидкости из первой камеры К1 к полости более низкого давления через поршень 1 или поршневой цилиндр 2 или механическое средство прямого действия для перемещения штока 4 поршня, что может быть выполнено вручную или любым другим автоматически регулирующим устройством, связанным надлежащим образом со штоком 4 поршня. В примере согласно фигуре 2 площадь А2 существенно больше, чем площадь А1, в результате чего гарантируется, что в случае свободного протекания потока жидкости установленная выдержка времени значительно превышает время, необходимое для запуска клапана подачи жидкости, то есть время, необходимое для направления штока 4 поршня до заданной точки, например точки «толчок».

Вне зависимости от того, занимает ли уплотнительный элемент в виде уплотнительного кольца 5 свое первое или второе положение в углублении 6 поршня 1, размер поршня 1 без уплотнения таков, что совокупный проходящий поток, в поперечном сечении соответствующий площади А0, возможен между поршнем и стенкой поршневого цилиндра 2, и эта площадь А0 поперечного сечения значительно больше, чем А1 и А2, или по меньшей мере больше, чем наименьшая из двух. В данном примере А2 превышает А1, а А0 может быть приблизительно порядка А2, поскольку не увеличивается продолжительность времени, необходимого для ручной (механической) работы, для приведения в действие устройства поршня.

Фигуры 3А-3С представляют собой увеличенные изображения стенки поршневого цилиндра 2, края поршня 1, в котором выполнено углубление, и уплотнительного элемента в виде уплотнительного кольца 5, установленного в углублении 6. В этом предпочтительном примере реализации площадь поперечного сечения А1 и А2, необходимая для прохождения потока, может быть обеспечена за счет канавок, образованных либо на стенке углубления 6, либо на поверхности уплотнительного кольца 5. Эти канавки могут быть на нижней части или боковых частях углубления 6, которое имеет прямоугольный профиль в поперечном сечении. Размеры (ширина и глубина) канавок и также их плотность в стенке углубления в целом определяют площади А1 и А2 поперечного сечения. Канавки могут быть выполнены травлением или могут быть вырезаны с использованием твердого инструмента, причем последнее легче, учитывая сложности доступа к внутренней поверхности углубления. Перемещение уплотнительного кольца между его первым и вторым положением может происходить по существу без трения в окружающей среде, заполненной жидкостью, и перемещению также способствует допуск на размер. На фигуре 3В, где уплотнительное кольцо 5 находится в его втором положении, оно замыкается, поскольку оно упирается в плоскую стенку углубления 6, которая находится на второй стороне (справа на фигуре 3В). В этом случае А2=0. На фигуре 3С А1 превышает А2, но последняя также превышает 0.

Работа клапана подачи жидкости, имеющего главный поршень и вспомогательный поршень, показанный в фигуре 2, то есть установление характеристик работы клапана подачи в отношении времени может выполняться выбором совокупных размеров отверстий для прохождения потока (А1, А2), а также регулированием момента открытия вспомогательного поршня 3. Легко увидеть, что перемещение поршня 1 означает прохождение уплотнительного элемента вдоль внутренней стенки поршневого цилиндра 2. Это способствует образованию соответствующих площадей (А1 или А2) отверстий для проходящего потока между уплотнительным элементом и стенкой поршневого цилиндра 2, в отличие от их образования между уплотнительным элементом и стенкой углубления 6, что обеспечивает проходящий поток в соответствии с мгновенным определением перемещения и, следовательно, переменную скорость поршня 1. Это, например, может оказаться необходимым, когда вспомогательный поршень 3 перемещается вблизи его точки закрытия или открытия, когда требуется значительное тормозящее воздействие для смягчения, по возможности, «удара», происходящего, например, во время закрытия. Это может быть важно в случае, когда клапаны подачи жидкости используются в промышленности, где требуются существенные количества проходящего потока, и без торможения механическое напряжение системы будет увеличиваться. Такой тип выполнения, то есть когда площадь А1 изменяется в зависимости от положения поршня 1, может быть обеспечен углублениями 7, 8, как показано в фигуре 4. Фигура 4А показывает углубление 7, которое обеспечивает линейно уменьшающееся поперечное сечение, а фигура 4В показывает углубление 8, с помощью которого поперечное сечение может линейно изменяться, а также ступенчато (внезапно), в результате чего создается особая характеристика скорости во времени.

На фигурах 5А и 5В, соответственно, показаны два положения уплотнительного элемента 11 поршня 10, изображающие направление потока жидкости и направление перемещения М поршня. Этот пример показывает, что нет необходимости выполнять уплотнительный элемент в виде уплотнительного кольца, но может использоваться другое уплотнение, имеющее кольцевое поперечное сечение, которое подходит для требующегося уплотнения при упоре в стенку углубления и стенку поршневого цилиндра. Стрелки, обозначающие проходящий поток, показаны у осевой линии, в связи с чем следует заметить, что в условиях, когда возможно более быстрое прохождение потока, то есть, когда площадь А2 больше, отверстие для проходящего потока между второй стороной поршня 10 и углублением может быть выполнено на других частях поршня, например образованием просверленных отверстий в корпусе поршня. Эти просверленные отверстия могут соединять внутреннюю полость углубления и вторую сторону поршня 10.

В рамках сути изобретения и на основании общепринятых принципов существуют другие возможности для конструирования устройства поршня, в котором уплотнительный элемент посредством своей упругой деформации сужает отверстие для прохождения потока, имеющее площадь А1, пропорционально измерению разности давлений между первой стороной и второй стороной. Работа такого устройства показана на фигуре 6, где фигура 6А показывает положение уплотнительного элемента 21, который для примера выполнен в виде уплотнительного кольца. Уплотнительный элемент 21 расположен над отверстием 23, выполненным на внутренней поверхности (обращенной на первую сторону) углубления поршня 22. В этой ситуации давления на первой стороне и на второй стороне по существу равны между собой или между ними существует незначительная разница. Однако в жидкостных системах с высоким давлением эта разница может быть огромной. Тогда поток жидкости, проходящий через отверстие 23, будет более быстрым, что может быть компенсировано упругой деформацией уплотнительного элемента (фигура 6В), где часть уплотнительного кольца уклоняется, вследствие чего оно сужает эффективное поперечное сечение отверстия 23. Таким образом, при выборе надлежащего размера отверстия 23, а также материала уплотнительного элемента 21, сужение поперечного сечения (необходимое для равномерного проходящего потока, измеряемого в единицу времени) становится прямо пропорционально изменению направления скорости потока. Это устройство саморегулирования также может использоваться с клапанами, где поршень не выполняет возвратно-поступательного движения. Результатом всего этого могут быть полезные побочные действия, если клапаны подачи жидкости выполняют двунаправленное движение.

В устройствах клапанов подачи жидкости по фигурам 1 и 2 открытие вспомогательного поршня 3 из его полностью закрытого положения может представлять проблему. При высоком давлении жидкости и больших размерах сила давления, воздействующая на вспомогательный поршень 3, не дает возможности поршневому штоку 4 его открыть. Это может стать большой проблемой, особенно если работа происходит вручную, но в случае использования автоматических механизмов уменьшение воздействия давления также необходимо. Для этой цели жидкость под высоким давлением может протекать вниз из закрытой полости первой камеры К1, без перемещения закрытого вспомогательного поршня 3. Этого можно достичь разными способами, общей чертой которых является то, что жидкость под высоким давлением из первой камеры К1 попадает в полость более низкого давления либо через поршень 1, либо через поршневой цилиндр 2. В этом случае площадь А2 не имеет отношения к процессу, оно может быть 0.

В устройстве по фигуре 7А внутри поршня 1 выполнен другой регулирующий клапан 1', который позволяет жидкости течь из первой замеры К1 в полость КЗ низкого давления, которая на самом деле представляет собой выпуск для жидкости. Регулирующий клапан 1' может открываться другим поршневым штоком 4', который проходит через полый корпус поршневого штока 4", соединяющий поршень 1 с вспомогательным поршнем 3. Поршневой шток 4' может двигаться независимо от поршневого штока 4". Регулирующий клапан 1' небольшой площади может открываться с небольшим усилием и после сброса давления и пропускания жидкости из первой камеры К1 жидкость высокого давления во второй камере К2 при движении поршня 1 движется в направлении к первой камере К1 в то время, когда регулирующий клапан 1' открыт, и основная струя жидкости протекает в полость К3, как показано на фигуре 7В. Пружина S используется, чтобы вернуть регулирующий клапан 1' в его закрытое положение, когда поршневой шток 4" отпускают. Затем поршень 1 вместе с вспомогательным поршнем 3 будет перемещаться в обратном направлении со скоростью, которая зависит от площади А1, до тех пор, пока вспомогательный поршень 3 не закроет основной поток.

В устройстве по фигуре 8А регулируемый клапан V в стенке поршневого цилиндра 2 используется для сброса давления и пропускания жидкости из первой камеры К1. Открытие и закрытие клапана V обеспечивает регулирование, соответствующее регулированию регулирующего клапана 1', описанного выше, как показано также на фигуре 8В. Поршневой шток 4 отличается от подобного элемента на фигурах 1 и 2 тем, что приведение в действие и регулирование времени протекания основного потока выполняется клапаном V вместо поршневого штока 4 по фигуре 8, что также в этом случае не требует большого усилия. Описанные выше устройства в основном касаются жидкостей. Однако следует заметить, что путем образования в одном или более мест мельчайших радиальных бороздок, канавок, ребер или рельефов на несущих участках компоненты способны выполнять упомянутую выше асимметричную работу в случае использования газов, например, в газовых демпферах или амортизаторах. Таким образом, изобретение может быть использовано с любой средой, либо жидкой, либо газообразной.

Существенным преимуществом настоящего изобретения является то, что когда оно используется как клапан, тогда в результате двунаправленного движения происходит самоочистка и нет необходимости в использовании сложных инструментов. Для практического применения, асимметрия (А1≪А2) имеет существенное значение с точки зрения пропорционального запуска и необходимого времени операции. Наконец, с одной стороны, используемая технология позволяет получить характеристику проходящего потока, которая изменяется во времени, и, с другой стороны, дает возможность сделать эту характеристику устойчивой, вне зависимости от изменения давления источника.

Пояснения к чертежам:

М - перемещение поршня;

K1 - первая камера;

К2 - вторая камера;

К3 - полость более низкого давления.

Claims (13)

1. Устройство поршня для движения в двух направлениях по оси в поршневом цилиндре, содержащем жидкость или газообразную среду, указанное устройство поршня имеет первую сторону, обращенную к первой камере (К1), и вторую сторону, обращенную ко второй камере (К2), поршневой шток (4) закрепленный на первой или второй стороне поршня (1), и в углублении, выполненном в наружной части поршня (1), установлено уплотнительное кольцо (5), изготовленное из упругого материала, которое уплотняет стенку поршневого цилиндра (2), при этом ширина по оси и, по меньшей мере, в некоторых местах радиальная глубина углубления (6), выполненного в наружной части поршня (1), превышают диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца (5), причем уплотнительное кольцо (5) установлено в углублении (6) таким образом, что оно способно перемещаться благодаря разности давления, существующего между первой стороной и второй стороной, между первым положением, обращенным к первой стороне, и вторым положением, обращенным ко второй стороне, отличающееся тем, что когда уплотнительное кольцо (5) находится в своем первом положении, совокупная площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением (6) и первой стороной поршня (1) составляет A1, a площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением (6) и второй стороной поршня (1) составляет А0, и когда уплотнительное кольцо (5) находится в своем втором положении, совокупная площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением (6) и второй стороной поршня (1) составляет А2, а площадь поперечного сечения пути прохождения потока между углублением (6) и первой стороной поршня (1) составляет А0, где наименьшее из А1 и А2 меньше, чем А0 на порядки величины, и в первом и втором положении направление возможного потока жидкости, между первой и второй камерами (К1, К2), противоположно.

2. Устройство поршня по п.1, отличающееся тем, что А1 и А2 отличаются на порядки величины.

3. Устройство поршня по п.1 или 2, отличающееся тем, что путь прохождения потока в углублении (6) образован радиальными бороздками, канавками, ребрами или рельефом, сформированными в одном или более мест на опорном участке для указанного уплотнительного кольца (5).

4. Устройство поршня по п.1 или 2, отличающееся тем, что путь прохождения потока образован радиальными бороздками, канавками, ребрами или рельефами, сформированными в одном или более мест опорного участка уплотнительного кольца.

5. Устройство поршня по п.1 или 2, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо (5), благодаря разности давления, существующей между первой стороной и второй стороной, способно деформироваться и прогибаться в указанный путь прохождения потока, в результате чего оно способно уменьшать совокупную площадь А1 или А2 поперечного сечения пути прохождения потока пропорционально разности давления.

6. Клапан подачи жидкости для обеспечения прохождения жидкости в заданном количестве или в течение заданного периода времени из источника жидкости под давлением, отличающийся тем, что содержит устройство поршня по п.1, в котором указанный поршневой шток (4, 4") приводит в действие вспомогательный поршень (3), установленный на пути прохождения основного потока жидкости, при этом поршень (1) приводится в движение в направлении первой камеры (К1) приводным механизмом, и вторая камера (К2) сообщается с полостью (К3) более низкого давления в открытом положении вспомогательного поршня (3).

7. Клапан подачи жидкости по п.6, отличающийся тем, что А2 превышает А1 на порядки величины.

8. Клапан подачи жидкости по любому из пп.6-7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из указанных площадей А1 и А2 выбирается такого размера, чтобы обеспечить заторможенное закрытие поршня (1).

9. Клапан подачи жидкости по п.8, отличающийся тем, что когда поршень (1) движется в двух направлениях, степень торможения поршня (1) при закрытии различна.

10. Клапан подачи жидкости по п.6, отличающийся тем, что указанным приводным механизмом является кнопочный механизм, путь перемещения которого ограничен до заданной длины.

11. Клапан подачи жидкости по п.6, отличающийся тем, что указанным приводным механизмом является кнопочный механизм, путь перемещения которого может быть ограничен до нескольких заданных величин длины.

12. Клапан подачи жидкости по п.10 или 11, отличающийся тем, что ограничение пути перемещения кнопочного механизма управляется механизмом ограничения, который регулируется поворотом по винтовой линии.

13. Клапан подачи жидкости по п.12, отличающийся тем, что он, по меньшей мере, обеспечен кнопочным механизмом, путь перемещения которого регулируется поворотом и путь перемещения кнопочного механизма ограничен до заданной длины.

Images