RU2354500C2

RU2354500C2 - Gasostat

Info

Publication number: RU2354500C2
Application number: RU2007123438/02A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Пасечник (RU); Николай Васильевич Пасечник; Виктор Григорьевич Тришкин (RU); Виктор Григорьевич Тришкин; Сергей Николаевич Шушурин (RU); Сергей Николаевич Шушурин
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-05-10
Also published as: RU2007123438A

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: invention is related to machining of large-size items from solid or discrete materials with simultaneous or combined effect of high pressures and temperatures created in gas medium of gasostat working chamber. Gasostat comprises power bed plate and container connected to gas control valves. The latter are arranged with needle and under-valve cavity. Gas unloading cylinder is connected to mentioned cavity. Gas cylinder is installed inside pressing spring and is directed to the side of servo drive. Servo drive represents hydraulic cylinder. Stem of gas cylinder is installed on needle.

EFFECT: higher reliability and efficiency of gasostat are achieved, and its operating conditions are improved.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, непосредственно к промышленному оборудованию для обработки крупногабаритных изделий из сплошных или дискретных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 200 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата. Основными компонентами газостата являются: собственно газостат, содержащий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину; газовая и вакуумная системы, создающие технологически необходимое давление в рабочей камере; система нагрева; системы охлаждения и управления. Производительность газостата в значительной степени зависит от производительности его главной - газовой системы, на которую, в свою очередь, влияет величина условного прохода газовой аппаратуры и газового трубопровода, по которым в процессе выполнения технологических операций перемещается рабочая среда.The invention relates to the field of powder metallurgy, directly to industrial equipment for processing large-sized products from solid or discrete materials with simultaneous or combined exposure to high pressures and temperatures up to 200 MPa of up to 2000 ° C created in the gas environment of the working chamber of a gas thermostat. The main components of the gas thermostat are: the actual gas thermostat, containing a container with upper and lower plugs, as well as a power bed; gas and vacuum systems creating technologically necessary pressure in the working chamber; heating system; cooling and control systems. The performance of a gas thermostat largely depends on the performance of its main gas system, which, in turn, is affected by the nominal passage of gas equipment and a gas pipeline, through which the working medium moves during technological operations.

Аналогом изобретения является техническая документация на узлы фирмы HOFER в газостате марки QIH-250, ASEA, Швеция, 1983 г., содержащий контейнер, связанный с газовой системой, включающей клапаны управления и выпуска, выполненные с седлом, иглой, подклапанной и надклапанной полостями, прижимной пружиной и сервоприводом.An analogue of the invention is the technical documentation for the HOFER units in a QIH-250 gas bath, ASEA, Sweden, 1983, containing a container connected to a gas system including control and exhaust valves made with a seat, a needle, a subvalve and supravalve cavities, a clamp spring and servo.

К недостаткам газостата-аналога следует отнести значительные габариты и металлоемкость запорных газовых клапанов управления и выпуска при больших условных проходах, а также невозможность унифицировать их конструкцию.The disadvantages of a gas thermostat-analogue include the significant dimensions and metal consumption of gas shut-off valves for control and exhaust at large nominal passages, as well as the inability to unify their design.

Прототипом заявляемого изобретения является газостат, описанный в авторском свидетельстве №1748940. Газостат-прототип содержит контейнер, закрытый по торцам пробками с герметизирующими уплотнениями. В верхней и нижней пробках выполнены газовые вводы, соединенные через систему газовых запорных клапанов с источником давления (компрессором), баллонной станцией, контрольно-измерительной аппаратурой и атмосферой. Для выполнения технологических операции газовая система оснащена унифицированными нормально-закрытыми клапанами с увеличенным условным проходом (Ду 15).The prototype of the claimed invention is a gas thermostat described in the copyright certificate No. 1748940. The thermostat prototype contains a container, closed at the ends of the plugs with sealing seals. In the upper and lower plugs, gas inlets are made, connected through a system of gas shut-off valves to a pressure source (compressor), balloon station, instrumentation and the atmosphere. To perform technological operations, the gas system is equipped with standardized normally closed valves with increased nominal bore (DN 15).

На чертеже представлен клапан газостата-прототипа с цилиндром разгрузки.The drawing shows the valve of a gas thermostat prototype with a discharge cylinder.

Клапан содержит корпус 1, в котором расположены седло 2, игла 3 и блок ее уплотнений 4. Клапан оснащен газовым цилиндром 5, шток 6 которого через шток 7 пневматического сервопривода 8 опирается на иглу клапана 4. На поршень 9 сервопривода действуют прижимные пружины 10, расположенные на периферии поршня 9 за пределом наружного диаметра цилиндра 5. Газовая полость 11 цилиндра 5, герметизированная по штоку 6 блоком уплотнений 12, соединена с подклапанной полостью 13, при этом газовый цилиндр 5 установлен на верхнем фланце 14 сервопривода 8, располагаясь над ним вертикально вверх. Фланец 14 связан с пневмоцилиндром 15 сервопривода 8 шпильками 16. Несмотря на то, что применение газового цилиндра разгрузки в конструкции клапана газостата-прототипа позволило значительно уменьшить его габариты и металлоемкость по сравнению с аналогичными параметрами клапана газостата-аналога, недостатком клапана газостата-прототипа является то, что его диаметральный размер определяется расположением прижимных пружин на периферии поршня 9 сервопривода 8 за пределом наружного диаметра цилиндра 5 и далее шпилек 16. В общую высоту клапана входит высота газового цилиндра 5, установленного над фланцем 14. Металлоемкость и стоимость клапана зависят от его габаритов. Другим недостатком клапана является невозможность удаления блока обжатых давлением рабочей среды уплотнений 12 из цилиндра 5 в неповрежденном состоянии и их повторного использования. К недостаткам конструкции клапана следует также отнести значительные усилия, необходимые для перемещения иглы 3 и штока 6, возникающие при затяжке блоков уплотнений 4 и 12 на максимальное рабочее давление клапана (до 200 МПа).The valve comprises a housing 1, in which a seat 2, a needle 3 and a block of its seals are located 4. The valve is equipped with a gas cylinder 5, the stem 6 of which through the rod 7 of the pneumatic actuator 8 rests on the needle of the valve 4. The pressure springs 10 located on the piston 9 of the actuator are located on the periphery of the piston 9 outside the outer diameter of the cylinder 5. The gas cavity 11 of the cylinder 5, sealed to the stem 6 by the seal unit 12, is connected to the valve cavity 13, while the gas cylinder 5 is mounted on the upper flange 14 of the actuator 8, located on it straight up. The flange 14 is connected to the pneumatic cylinder 15 of the servo drive 8 by the pins 16. Despite the fact that the use of the gas discharge cylinder in the design of the prototype gas valve valve has significantly reduced its dimensions and metal consumption compared to similar parameters of the analog gas valve valve, the disadvantage of the prototype gas valve valve is that its diametric size is determined by the location of the clamping springs on the periphery of the piston 9 of the servo drive 8 beyond the outer diameter of the cylinder 5 and then the studs 16. The total height of the valve walks height gas cylinder 5 mounted on the flange 14. Metal consumption and cost of the valve depends on its dimensions. Another disadvantage of the valve is the inability to remove the pressure-compressed block of the seal 12 from the cylinder 5 in an undamaged state and to reuse them. The disadvantages of the valve design should also include significant efforts necessary to move the needle 3 and the stem 6 that occur when tightening the seal blocks 4 and 12 to the maximum operating pressure of the valve (up to 200 MPa).

Задачей предлагаемого изобретения является устранение упомянутых недостатков и использование новых конструктивных решений при создании надежного, производительного промышленного газостата с большим объемом рабочей камеры для обработки крупногабаритных изделий.The task of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks and use new design solutions to create a reliable, productive industrial gas thermostat with a large working chamber for processing large-sized products.

Достигаемый при этом технический эффект: унификация, уменьшение габаритов и металлоемкости запорных клапанов газовой системы газостата; создание условий извлечения блоков уплотнений штока цилиндра разгрузки и иглы клапана с возможностью их многократного использования; снижение усилия трения в блоках уплотнений иглы и штока цилиндра разгрузки; обеспечение надежной внутренней герметичности клапанов и контейнера, повышение производительности и улучшение условий эксплуатации газостата.The technical effect achieved at the same time: unification, reduction in size and metal consumption of shut-off valves of the gas system of the gas thermostat; creation of conditions for the extraction of the cylinder block seals of the discharge cylinder and the valve needle with the possibility of their multiple use; decrease in friction force in the seal blocks of the needle and the rod of the unloading cylinder; ensuring reliable internal tightness of the valves and container, increasing productivity and improving operating conditions of the gas thermostat.

Выполнение поставленной задачи и получаемый при этом технический эффект обеспечиваются тем, что в предлагаемой конструкции унифицированного запорного клапана газовой системы газостата цилиндр разгрузки установлен внутри одной прижимной пружины малой жесткости, бльшая часть которого располагается в пределах ее высоты, и направлен в сторону поршня сервопривода; в качестве сервопривода использован гидравлический цилиндр с давлением управления до 10 МПа, что позволяет в несколько раз уменьшить диаметр гидроцилиндра по сравнению с диаметром пневмоцилиндра, при использовании максимальной величины давления управления, равного 1 МПа, извлечение блока уплотнений штока цилиндра разгрузки и иглы клапана без и разрушения его элементов с возможностью их повторного использования обеспечивается специальными бородками, выполненными на концах штока и иглы; сила трения в блоках уплотнений штока и иглы снижена за счет применения самоуплотняющегося блока, в котором подвижный элемент (шток или игла) контактирует только с одним элементом блока, изготовленным из фторопласта, обладающего низким коэффициентом трения; надежное закрытие - внутренняя герметичность клапана создается дополнительным усилием, передаваемым штоком цилиндра разгрузки на иглу (помимо усилия пружины), возникающим в результате того, что диаметр штока цилиндра разгрузки больше диаметра подклапанной полости, запираемой иглой; внутренняя герметичность контейнера во время многочасовой выдержки заготовки при заданных давлении и температуре обеспечивается тем, что контейнер соединен с подклапанными полостями клапанов, отсекающих его рабочее пространство от других компонентов газовой системы, исключая, таким образом, работу блоков уплотнений игл этих клапанов и прижатием иглы к седлу, выполненному непосредственно в корпусе клапана, дополнительным усилием штока газового цилиндра.The fulfillment of the task and the resulting technical effect are ensured by the fact that in the proposed design of a unified shut-off valve of the gas system of the gas thermostat, the unloading cylinder is installed inside one clamping spring of low stiffness, most of which is located within its height, and is directed towards the servo piston; a hydraulic cylinder with a control pressure of up to 10 MPa is used as a servo-driver, which allows several times to reduce the diameter of the hydraulic cylinder compared to the diameter of the pneumatic cylinder, using the maximum control pressure of 1 MPa, removing the seal block of the unloading cylinder stem and valve needle without and destruction its elements with the possibility of their reuse is provided by special barbs made at the ends of the rod and needle; the friction force in the stem and needle seal blocks is reduced due to the use of a self-sealing block in which the movable element (rod or needle) is in contact with only one block element made of fluoroplastic having a low coefficient of friction; reliable closure - the internal tightness of the valve is created by the additional force transmitted by the rod of the unloading cylinder to the needle (in addition to the spring force) resulting from the fact that the diameter of the rod of the unloading cylinder is larger than the diameter of the sub-valve cavity locked by the needle; the internal tightness of the container during the many-hour exposure of the workpiece at a given pressure and temperature is ensured by the fact that the container is connected to the sub-valve cavities of the valves that cut off its working space from other components of the gas system, thus excluding the operation of the needle seal blocks of these valves and pressing the needle to the seat made directly in the valve body by the additional force of the rod of the gas cylinder.

Конструкция газостата поясняется следующими чертежами, гдеThe design of the gas bath is illustrated by the following drawings, where

Фиг.1 - клапан газостата-прототипа с цилиндром разгрузки (справочно);Figure 1 - valve gas thermostat of the prototype with the unloading cylinder (for reference);

Фиг.2 - промышленный газостат с фрагментом газовой системы;Figure 2 - industrial gas thermostat with a fragment of the gas system;

Фиг.3 - унифицированный газовый запорный клапан с увеличенным условным проходом.Figure 3 - standardized gas shutoff valve with increased nominal bore.

Газостат (фиг.2) содержит силовую станину 17, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 18, контейнер 19, закрытый по торцам верхней 20 и нижней 21 пробками, запорные газовые клапаны 22-25, газовый компрессор 26 и баллонную станцию 27. Для управления потоками газа при выполнении технологических операций используются унифицированные нормально-закрытые клапаны (фиг.3) с увеличенным условным проходом Dy. Клапан содержит корпус 28, расточки подклапанной 29 и надклапанной полостей 30 образующих острую кромку 31 седла, на которую опирается игла 32 в закрытом состоянии клапана. Для уменьшения трения иглы в блоке уплотнений использована самоуплотняющаяся конструкция, содержащая втулку Г-образного сечения 33, резиновое кольцо 34, опорные 35 и нажимное кольца 36. Неподвижная поверхность расточки корпуса герметизируется наружным диаметром кольца 34 и втулки 33. Подвижная поверхность иглы 32 уплотняется по внутренней поверхности втулки 33, имеющей ус 37 - единственный элемент блока уплотнений, контактирующий со стерженем иглы. В металлических втулках 35 и 36 игла 32 установлена с зазором. Втулка 33 изготовлена из фторопласта - материала с низким коэффициентом трения, позволяющим снизить усилие трения между иглой и блоком ее уплотнений. Блок уплотнений извлекается из расточки корпуса без разрушения его элементов для повторного использования с помощью бородки 38, диаметр которой больше диаметра стержня иглы. Все сказанное о блоке уплотнений иглы в полной мере относится к условиям работы блока уплотнений штока 39 газового цилиндра 40. Для удаления блока уплотнений предусмотрена бородка 41.The gas thermostat (figure 2) contains a power frame 17 fastened with a bandage of high-strength tape 18, a container 19, closed at the ends of the upper 20 and lower 21 stoppers, gas shutoff valves 22-25, a gas compressor 26 and a balloon station 27. To control gas flows at performing technological operations using unified normally-closed valves (figure 3) with an increased nominal pass Dy. The valve comprises a housing 28, bores of the subvalvular 29 and supravalvular cavities 30 forming the sharp edge 31 of the seat, on which the needle 32 rests in the closed state of the valve. To reduce the friction of the needle in the seal block, a self-sealing design is used, containing an L-shaped sleeve 33, a rubber ring 34, support rings 35 and a pressure ring 36. The fixed surface of the housing bore is sealed with the outer diameter of the ring 34 and the sleeve 33. The movable surface of the needle 32 is sealed along the inner the surface of the sleeve 33 having a mustache 37 is the only element of the seal block in contact with the needle shaft. In the metal sleeves 35 and 36, the needle 32 is installed with a gap. The sleeve 33 is made of fluoroplastic - a material with a low coefficient of friction, which allows to reduce the friction force between the needle and the block of its seals. The sealing block is removed from the bore of the body without destroying its elements for reuse with the help of a beard 38, the diameter of which is larger than the diameter of the needle shaft. Everything said about the needle seal block fully relates to the operating conditions of the rod seal block 39 of the gas cylinder 40. A beard 41 is provided for removing the seal block.

Гидроцилиндр 42 сервопривода 43 соединен шпильками 44 с корпусом 28. Стакан 45 установлен на цилиндре 42 с помощью быстроразъемного байонетного замка 46. Клапан закрывается усилием пружины 47, сжатой нажимными винтами 48 и создающей на кромке 31 седла необходимые контактные давления. Усилие пружины передается на иглу 32 через поршень 49 и шток 50 гидроцилиндра 42. Газовый цилиндр разгрузки 40 установлен внутри пружины 47 в пределах ее габаритов и направлен в сторону поршня сервопривода. Подклапанная полость 29 соединена с газовым цилиндром капилляром высокого давления 51. Клапан открывается при подаче давления под поршень 49 сервопривода 43, преодолевая усилие пружины малой жесткости и усилие трения иглы 32 и штока 39 в блоках уплотнений, а также - между поршнем 49 и гидроцилиндром 42. Использование газового цилиндра 40, соединенного с подклапанной полостью 29, позволяет уравновесить систему игла 32 клапана - шток 39 цилиндра разгрузки внутренним давлением. При равенстве диаметра штока Дш и условного прохода Ду (случай газостата-прототипа) пружина обеспечивает создание только необходимых контактных давлений на острой кромке 31, а не противодействие усилию рабочей среды высокого давления, действующего на иглу в подклапанной полости 29. В предлагаемой конструкции диаметр штока 39 Дш цилиндра разгрузки больше условного прохода Ду, в этом случае игла прижимается к седлу клапана дополнительным усилием, создавая его надежное закрытие. Соотношение площадей штока 39 и расточки подклапанной полости 29 определяется с учетом жесткости и размеров пружины 47, величины рабочего давления газостата и прочностных свойств корпуса 28 и иглы 32. Увеличение усилия открытия клапана в этом случае легко компенсируется незначительным повышением величины давления управления, используемого практически в диапазоне 5-10 МПа, что не приводит к увеличению диаметра гидроцилиндра. Таким образом, предложенное конструктивное решение уменьшает габариты, металлоемкость и стоимость унифицированных запорных клапанов и газостата в целом, а также повышает надежность работы главной - газовой системы машины.The hydraulic cylinder 42 of the servo-drive 43 is connected by pins 44 to the housing 28. The glass 45 is mounted on the cylinder 42 using a quick-release bayonet lock 46. The valve is closed by the force of the spring 47, compressed by pressure screws 48 and creating the necessary contact pressure on the edge of the seat 31. The spring force is transmitted to the needle 32 through the piston 49 and the rod 50 of the hydraulic cylinder 42. The gas discharge cylinder 40 is installed inside the spring 47 within its dimensions and is directed towards the servo piston. The subvalvular cavity 29 is connected to the gas cylinder by a high pressure capillary 51. The valve opens when pressure is applied under the piston 49 of the actuator 43, overcoming the force of the spring of low rigidity and the friction force of the needle 32 and the rod 39 in the seal blocks, and also between the piston 49 and the hydraulic cylinder 42. The use of a gas cylinder 40 connected to a subvalvular cavity 29 makes it possible to balance the system of the needle 32 of the valve — the stem 39 of the pressure relief cylinder. If the diameter of the rod Дш and the conditional passage Ду are equal (the case of the prototype gas thermostat), the spring provides only the necessary contact pressures on the sharp edge 31, and does not counter the pressure of the high-pressure medium acting on the needle in the subvalvular cavity 29. In the proposed design, the diameter of the rod 39 The cylinder of the unloading cylinder is larger than the nominal passage Du, in this case the needle is pressed against the valve seat with additional force, creating its reliable closure. The ratio of the areas of the stem 39 and the bore of the subvalvular cavity 29 is determined taking into account the stiffness and dimensions of the spring 47, the working pressure of the gas bath and the strength properties of the housing 28 and the needle 32. The increase in the valve opening force in this case is easily compensated by a slight increase in the control pressure used practically in the range 5-10 MPa, which does not lead to an increase in the diameter of the hydraulic cylinder. Thus, the proposed design solution reduces the size, metal consumption and cost of standardized shut-off valves and a gas thermostat as a whole, and also increases the reliability of the main gas system of the machine.

Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 18 сдвинута с оси контейнера. На нижнюю пробку 21, находящуюся вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в контейнер. Силовая станина устанавливается на оси контейнера 19. В сервопривод клапана 24 подается давление управления. Через открытый клапан 24 газ из баллонной станции 27 самотеком поступает в контейнер. После выравнивания давления в контейнере и баллонной станции клапан 24 закрывается. Затем открываются клапаны 23 и 25 и с помощью компрессора 26 давление в контейнере поднимается до заданной величины. После этого компрессор останавливается, а клапаны 23 и 25 закрываются. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение технологически необходимого времени. Далее рабочее пространство с газовой средой и заготовкой охлаждается. Открывается клапан 24 и газ самотеком перетекает из контейнера 19 в баллоны 27. Затем газ через открытый клапан 22 выпускается в баллонную станцию низкого давления (не показана) или атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 17 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 21, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него.The thermostat operates as follows. In the initial position, the power frame 18 is shifted from the axis of the container. On the bottom plug 21, located outside the container, set the workpiece and enter it into the container. The power bed is mounted on the axis of the container 19. The control pressure is supplied to the valve 24 actuator. Through the open valve 24, gas from the balloon station 27 by gravity enters the container. After equalizing the pressure in the container and the balloon station, the valve 24 closes. Then the valves 23 and 25 open and with the help of the compressor 26 the pressure in the container rises to a predetermined value. After that, the compressor stops and valves 23 and 25 close. The heating system turns on, warming up the workpiece to the required temperature. At a given pressure and temperature, the workpiece is aged for the technologically necessary time. Further, the working space with the gas medium and the workpiece is cooled. The valve 24 opens and the gas flows by gravity from the container 19 into the cylinders 27. Then, the gas through the open valve 22 is discharged to a low-pressure balloon station (not shown) or atmosphere. After reducing the pressure in the container to atmospheric pressure, the power frame 17 moves from the axis of the container, releasing the lower plug 21, which together with the processed product is removed from it.

Claims

1. A gas thermostat containing a power bed and a container connected to gas control valves, which are made with a needle, a valve valve connected to the cavity by a gas unloading cylinder with a rod mounted on the needle, a pressure spring and a servo-drive with a piston, characterized in that the gas the unloading cylinder is installed inside the clamping spring and is directed towards the piston of the servo drive, and the servo drive is made in the form of a hydraulic cylinder.

2. The thermostat according to claim 1, characterized in that the rod of the gas unloading cylinder is made with a diameter exceeding the diameter of the conditional passage of the gas control valve.

3. The gas thermostat according to claim 1 or 2, characterized in that the rod of the gas discharge cylinder and the needle of the gas control valve are installed to ensure their sealing by means of a self-sealing unit made in the form of a fluoroplastic sleeve with an L-shaped cross section, as well as a rubber, support and pressure rings, while the end of the mentioned rod and needle is made with a beard having the ability to interact with the corresponding self-sealing unit.

4. The thermostat according to claim 1 or 2, characterized in that the container is connected to the gas control valves by communicating the interior of the container with the subvalvular cavity of the said valves.