RU2455114C1

RU2455114C1 - Gasostatic extruder

Info

Publication number: RU2455114C1
Application number: RU2011102508/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Григорьевич Тришкин (RU); Виктор Григорьевич Тришкин; Николай Васильевич Пасечник (RU); Николай Васильевич Пасечник; Борис Александрович Сивак (RU); Борис Александрович Сивак; Александр Павлович Шляхин (RU); Александр Павлович Шляхин; Олег Эдуардович Белов (RU); Олег Эдуардович Белов; Владимир Иванович Головкин (RU); Владимир Иванович Головкин; Наталья Викторовна Чехова (RU); Наталья Викторовна Чехова; Михаил Андреевич Цыбин (RU); Михаил Андреевич Цыбин
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-07-10

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to equipment for processing discrete or solid materials at combined or separate effects of gas pressure of up to 500 MPa and temperature of up to 2000°C developed inside working chamber of gasostatic extruder. Extruder comprises bearing foundation and plugged container to make working chamber communicated via gas pipeline with gas system including shut-off valves with increased port area furnished with cup. It includes also unloading cylinder with rod fitted inside low-spring force spring developing required contact pressures in pair "needle-seat", and servo drive with rod. Unloading gas cylinder and servo drive rods are rigidly jointed together. In particular case, said rods may have flat or curved contact surface. Bayonet junction of unloading cylinder and the cup can be executed with the radial split.

EFFECT: internal tightness.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дискретных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 500 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата. Основными компонентами газостата являются:The invention relates to the field of creating industrial equipment for the processing of large-sized products from solid and discrete materials with simultaneous or combined exposure to high pressures and temperatures up to 500 MPa and temperatures 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:

- собственно газостат, включающий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину;- the actual gas thermostat, including a container with upper and lower plugs, as well as a power bed;

- газовая и вакуумная системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере машины;- gas and vacuum systems providing the necessary technological parameters of the gaseous medium in the working chamber of the machine;

- системы нагрева и охлаждения,- heating and cooling systems,

- а также система управления.- as well as a control system.

Эффективность работы газостата зависит главным образом от производительности и надежности его главной системы - газовой. В свою очередь качественный уровень работы последней определяется производительностью газового привода, а именно пропускной способностью и надежностью газовой аппаратуры и трубопровода, по которым в процессе выполнения технологических операций перемещается рабочая среда. При этом технологические операции, связанные с работой газового привода машины, такие как многократное вакуумирование рабочей камеры, создание в ней необходимого давления и снижение давления в камере до атмосферного составляют от 50 до 70% общего времени рабочего цикла газостата. В связи с этим разработка и использование надежно работающей газовой аппаратуры, высокого давления с увеличенным до 10-15 мм условным проходом является важнейшей задачей при создании современных промышленных газостатов с объемом рабочей камеры, достигающим нескольких кубических метров.The efficiency of a gas thermostat depends mainly on the performance and reliability of its main system - gas. In turn, the quality level of the latter’s work is determined by the performance of the gas drive, namely the throughput and reliability of the gas equipment and pipeline, through which the working medium moves during the process. At the same time, technological operations associated with the gas drive of the machine, such as multiple evacuation of the working chamber, creating the necessary pressure in it and reducing the pressure in the chamber to atmospheric pressure, comprise from 50 to 70% of the total gas cycle operating time. In this regard, the development and use of reliable gas equipment, high pressure with a nominal bore increased to 10-15 mm is the most important task in creating modern industrial gas thermostats with a working chamber volume reaching several cubic meters.

Запорные клапаны газовой системы газостатов с небольшим объемом рабочей камеры и условным проходом 3-5 мм выполняются по схеме прямого действия. В этом случае в исходном (закрытом) положении клапана пружины должны создавать усилие, достаточное для:The shutoff valves of the gas system of gas thermostats with a small volume of the working chamber and a nominal bore of 3-5 mm are performed according to the direct action scheme. In this case, in the initial (closed) position of the valve, the springs should create a force sufficient to:

- компенсации (восприятия) осевой нагрузки рабочей среды высокого давления на иглу с гладким стержнем, диаметр которого больше диаметра условного прохода клапана;- compensation (perception) of the axial load of the high pressure medium on a needle with a smooth rod, the diameter of which is larger than the diameter of the nominal passage of the valve;

- и создания необходимых контактных давлений на рабочей кромке пары «седло-игла», обеспечивающих внутреннюю герметичность клапана.- and the creation of the necessary contact pressures on the working edge of the saddle-needle pair, providing internal valve tightness.

В случае применения запорных клапанов с увеличенным условным проходом критически возрастает осевая нагрузка рабочей среды на иглу. Так, при рабочем давлении газостата 200 МПа в клапане с условным проходом Ду=5 мм она составляет 390 кг, а в клапане с Ду=15 мм - 3530 кг, т.е. - увеличивается почти в 10 раз, что вызывает необходимость использования пружин большой жесткости, а значит и увеличенных габаритов. При этом пропорционально растет диаметр поршня цилиндра сервопривода, необходимого для сжатия такой пружины при открытии клапана, а также его габариты, металлоемкость и масса. В этой связи ВНИИМЕТМАШем - единственным разработчиком промышленного газостатического оборудования в России - созданы запорные клапаны с увеличенным условным проходом, в которых перечисленные недостатки исключены за счет использования новых конструктивных решений.In the case of the use of shut-off valves with an increased nominal bore, the axial load of the working medium on the needle critically increases. So, at a working pressure of a gas thermostat of 200 MPa in a valve with a nominal bore DN = 5 mm, it is 390 kg, and in a valve with a DN = 15 mm - 3530 kg, i.e. - increases almost 10 times, which necessitates the use of springs of high stiffness, and hence increased dimensions. At the same time, the piston diameter of the servo cylinder, which is necessary to compress such a spring when opening the valve, as well as its dimensions, metal consumption and weight, is proportionally growing. In this regard, VNIIMETMASH, the only developer of industrial gas-static equipment in Russia, has developed shut-off valves with increased nominal bore, in which the listed drawbacks are eliminated through the use of new design solutions.

Аналогом заявляемого изобретения является газостат, описанный Авторским свидетельством №1748940, бюллетень №27 от 23.07 1992 г. Газостат-аналог 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 операций рабочего цикла газовая система оснащена унифицированными нормально закрытыми клапанами с увеличенным (Ду=15 мм) условным проходом.An analogue of the claimed invention is a gas thermostat, described by Copyright certificate No. 1748940, bulletin No. 27 dated July 23, 1992. The analog gas thermostat contains a container closed at the ends by stoppers 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 of the working cycle, the gas system is equipped with standardized normally closed valves with an increased (DN = 15 mm) nominal passage.

Несмотря на то, что применение газового цилиндра разгрузки в конструкции клапана газостата-аналога позволило значительно уменьшить его габариты и металлоемкость по сравнению с аналогичными параметрами клапана прямого действия, в котором игла не уравновешена, недостатком является то, что диаметральный размер клапана определяется расположением прижимных пружин на периферии поршня сервопривода за пределом наружного диаметра цилиндра разгрузки. Другой недостаток заключается в том, что цилиндр разгрузки установлен на верхнем фланце клапана, вследствие чего увеличиваются общая высота, металлоемкость, а также стоимость. К недостаткам клапана аналога следует также отнести использование в качестве седла отдельной линзы, образующей с корпусом два дополнительных трудно уплотняемых стыка и снижающей возможность обеспечения внутренней герметичности клапана.Despite the fact that the use of a gas unloading cylinder in the design of a gas thermostat-analog valve significantly reduced its dimensions and metal consumption compared to similar parameters of a direct-acting valve, in which the needle is not balanced, the disadvantage is that the diametrical size of the valve is determined by the location of the pressure springs on the servo piston periphery beyond the outer diameter of the discharge cylinder. Another disadvantage is that the unloading cylinder is mounted on the upper flange of the valve, as a result of which the overall height, metal consumption, and cost increase. The disadvantages of the analog valve should also include the use of a separate lens as a seat, forming two additional hard-to-seal joints with the body and reducing the possibility of ensuring the valve's internal tightness.

Прототипом изобретения является газостат, описанный патентом РФ №2354500 от 22.06.2007 года. Газостат-прототип содержит силовую станину, контейнер, закрытый по торцам пробками, запорные газовые клапаны, компрессор и баллонную станцию. Для управления потоками газа при выполнении технологических операций используются унифицированные нормально закрытые клапаны с увеличенным условным проходом. Седло клапана, на острую кромку которого опирается конус иглы, образовано расточками подклапанной и надклапанной полостей. Газовый цилиндр разгрузки, соединенный капилляром высокого давления с подклапанной полостью, установлен внутри прижимной пружины, в пределах ее габаритов, и направлен в сторону поршня сервопривода. Шток цилиндра разгрузки опирается на шток сервопривода. Использование газового цилиндра позволило сбалансировать систему «игла клапана - шток цилиндра разгрузки» давлением рабочей среды. Диаметр штока цилиндра разгрузки больше условного прохода клапана, равного диаметру стержня иглы. При этом игла прижимается к седлу дополнительным усилием штока цилиндра разгрузки, обеспечивая надежную внутреннюю герметичность клапана.The prototype of the invention is a gas thermostat described by RF patent No. 2354500 from 06.22.2007. The prototype gas thermostat contains a power bed, a container closed at the ends by plugs, gas shutoff valves, a compressor and a balloon station. To control gas flows during technological operations, standardized normally closed valves with increased nominal bore are used. The valve seat, on the sharp edge of which the needle cone rests, is formed by the bores of the subvalvular and supravalvular cavities. A gas unloading cylinder connected by a high pressure capillary with a subvalvular cavity is installed inside the clamping spring, within its dimensions, and is directed towards the servo piston. The rod of the discharge cylinder rests on the servo rod. The use of a gas cylinder made it possible to balance the system "valve needle - unloading cylinder rod" with the pressure of the working medium. The diameter of the discharge cylinder rod is greater than the nominal bore of the valve, equal to the diameter of the needle shaft. In this case, the needle is pressed against the seat by the additional force of the unloading cylinder rod, providing reliable internal tightness of the valve.

Существенным недостатком конструкции как аналога, так и прототипа является то, что шток газового цилиндра разгрузки и шток сервопривода не имеют жесткой связи, а свободно опираются торцевыми поверхностями. При открытии клапана с помощью сервопривода игла и шток цилиндра разгрузки перемещаются в верхнее положение. После сброса рабочего давления в надклапанной и подклапанной полостях, а следовательно и в цилиндре разгрузки, а также давления управления в сервоприводе игла усилием пружины возвращается в исходное (закрытое) положение, создавая расчетные контактные давления на кромке седла. При этом шток газового цилиндра разгрузки за счет трения в блоке его уплотнений остается в верхнем положении, а между торцами штоков образуется зазор, равный величине хода поршня сервопривода. Подача давления рабочего газа в подклапанную полость (под иглу) и соединенный с ней цилиндр разгрузки, особенно в диапазоне низких давлений, не способных преодолеть усилие трения в блоке уплотнений штока цилиндра разгрузки и привести его в контакт со штоком сервопривода, вызывает снижение контактных давлений в паре «игла - седло» и нарушение внутренней герметичности клапана. Такое «неуправляемое» состояние клапанов газовой системы машины не позволяет надежно выполнять штатные операции рабочего цикла и может привести к созданию аварийной ситуации с тяжелыми последствиями, учитывая огромный запас энергии сжатого газа промышленных газостатов.A significant drawback of the design of both the analog and the prototype is that the rod of the gas discharge cylinder and the servo rod do not have a rigid connection, but are freely supported by the end surfaces. When the valve is opened using a servo, the needle and the stem of the unloading cylinder move to the upper position. After the operating pressure in the supravalve and subvalve cavities, and consequently in the unloading cylinder, as well as the control pressure in the servo drive, the needle returns to its original (closed) position by the spring force, creating the calculated contact pressure on the edge of the seat. In this case, the rod of the gas cylinder of the discharge due to friction in the block of its seals remains in the upper position, and between the ends of the rods a gap is formed equal to the magnitude of the piston stroke of the servo drive. The supply of working gas pressure to the subvalvular cavity (under the needle) and the unloading cylinder connected to it, especially in the low pressure range, which cannot overcome the friction in the seal block of the unloading cylinder stem and bring it into contact with the servo rod, causes a decrease in contact pressure in the pair "Needle - saddle" and violation of the internal tightness of the valve. This “uncontrolled” state of the valves of the gas system of the machine does not allow reliable performance of regular operations of the duty cycle and can lead to an emergency with severe consequences, given the huge energy supply of compressed gas from industrial gas thermostats.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и нанопорошковых материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды при температуре до 2000°С на базе надежной запорной аппаратуры газовой системы.The technical result of the invention is the creation of high-performance gas baths for processing industrial products from discrete, solid and nanopowder materials with high (up to 500 MPa) gas pressure at temperatures up to 2000 ° C based on reliable locking equipment of the gas system.

Технический результат предлагаемого изобретения, заключающийся в:The technical result of the invention, which consists in:

- создании эффективной газовой системы с повышенным до 500 МПа рабочим давлением;- creating an effective gas system with increased working pressure up to 500 MPa;

- уменьшении времени создания заданного давления в контейнере и откачивания газа из него в конце рабочего цикла;- reducing the time of creating a given pressure in the container and pumping gas out of it at the end of the working cycle;

- существенном снижении ее металлоемкости и стоимости;- a significant reduction in its metal consumption and cost;

- повышении производительности газостата и снижении стоимости выпускаемой продукции;- increasing the productivity of the gas bath and reducing the cost of products;

достигается тем, что газовая система газостата оснащена газовым трубопроводом и компактной запорной аппаратурой с увеличенным условным проходом, выполненной в виде нормально закрытого клапана с цилиндром разгрузки, установленным внутри пружины малой жесткости, рассчитанной только на создание необходимых контактных давлений в паре «игла - седло», а шток газового цилиндра разгрузки которого жестко связан со штоком сервопривода.achieved by the fact that the gas system of the gas thermostat is equipped with a gas pipeline and compact locking equipment with an increased nominal bore, made in the form of a normally closed valve with an unloading cylinder installed inside a spring of low stiffness, designed only to create the necessary contact pressures in the needle-seat pair, and the rod of the unloading gas cylinder is rigidly connected to the servo rod.

Конструкция предлагаемого газостата представлена на фигурах 1-3, где:The design of the proposed gas thermostat is presented in figures 1-3, where:

на фиг.1 показан газостат с фрагментом газовой системы;figure 1 shows a gas thermostat with a fragment of the gas system;

на фиг.2 изображен нормально закрытый клапан с газовым цилиндром разгрузки, увеличенным условным проходом и жестко соединенными штоками газового цилиндра разгрузки и сервопривода;figure 2 shows a normally closed valve with a gas unloading cylinder, increased nominal bore and rigidly connected rods of the gas unloading cylinder and a servo;

на фиг.3 приведена опорная часть штоков газового цилиндра и сервопривода - сечение А-А по фиг.2 (два варианта).figure 3 shows the supporting part of the rods of the gas cylinder and servo - section aa in figure 2 (two options).

Газостат содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, нормально закрытые клапаны 6, 7, 8 и 9, газовый компрессор 10 и баллонную станцию 11. Для управления потоками рабочей среды при выполнении технологических операции рабочего цикла клапаны 6, 7, 8 и 9 соединены между собой и с другими компонентами газовой системы трубопроводом 12, при этом газовый ввод 13 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке 4. Клапан (фиг.2) содержит корпус 14, в котором расточки надклапанной 15 и подклапанной 16 полостей образуют острую кромку 17 седла, на которую в закрытом состоянии клапана опирается игла 18. Гидравлический или пневматический сервопривод 19 соединен с корпусом 14 шпильками 20. Сервопривод состоит из гильзы 21, поршня 22, верхней 23 и нижней 24 крышек, закрепленных внутри гильзы с помощью пружинных колец 25. Клапан открывается при подаче пневмо- или гидросреды управления под поршень 22. На верхней крышке установлен стакан 26, внутри которого располагается прижимная пружина 27. Усилие воздействия пружины на иглу 18, передаваемое поршнем 22 через шток 28, регулируется винтами 29. Газовый цилиндр разгрузки 30 установлен внутри пружины с помощью быстроразъемного байонетного соединения 31 со стаканом 26 с радиальнным зазором 32, позволяющим избежать перекоса и заклинивания поршня 22 при его перемещении внутри гильзы 21 сервопривода 19. Шток 33 цилиндра разгрузки 30 нижним концом опирается на шток 28 сервопривода 19 и жестко соединены друг с другом с помощью резьбового хвостовика 34. Форма контакта штоков может быть плоской 35 или криволинейной 36, например сферической, позволяющей увеличить площадь контакта штоков и снизить величину контактных напряжений.The gas thermostat contains a power frame 1, fastened with a bandage of high-strength tape 2, a container 3, closed at the ends of the upper 4 and lower 5 plugs, normally closed valves 6, 7, 8 and 9, a gas compressor 10 and a balloon station 11. To control the flow of the working medium at performing technological operations of the working cycle, the valves 6, 7, 8 and 9 are interconnected and with other components of the gas system by a pipe 12, while the gas inlet 13 into the container 3 is made in the upper tube 4. The valve (figure 2) contains a housing 14, which bore supravalve 15 and the valve 16 cavities form a sharp edge 17 of the saddle, on which the needle 18 rests in the closed state of the valve. The hydraulic or pneumatic actuator 19 is connected to the housing 14 by pins 20. The actuator consists of a sleeve 21, a piston 22, an upper 23 and a lower 24 cover fixed inside the sleeve by means of spring rings 25. The valve opens when a pneumatic or hydraulic control medium is supplied under the piston 22. A cup 26 is installed on the top cover, inside of which there is a compression spring 27. The force of the spring on the needle 18, transmitted through by a screw 22 through the rod 28, it is regulated by screws 29. The gas unloading cylinder 30 is installed inside the spring by means of a quick-release bayonet connection 31 with the sleeve 26 with a radial clearance 32, which avoids distortion and jamming of the piston 22 when it moves inside the sleeve 21 of the servo drive 19. The cylinder rod 33 the unloading 30 with its lower end rests on the rod 28 of the servo drive 19 and is rigidly connected to each other using a threaded shank 34. The contact shape of the rods can be flat 35 or curved 36, for example spherical, allowing Calculate the contact area of the rods and reduce the contact stress.

Газостат работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 1 сдвинута с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в рабочее пространство камеры газостата. Силовая станина устанавливается на оси контейнера. В сервопривод клапана 8 подается давление управления, клапан открывается, и газ самотеком поступает из баллонов 11 в контейнер. После выравнивания в них давления клапан 8 закрывается. Затем открываются клапаны 7, 9 и с помощью компрессора 10 давление в контейнере поднимается до заданной величины. Далее компрессор останавливается, а клапаны 7 и 9 закрываются. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение необходимого времени. Затем рабочее пространство камеры с заготовкой охлаждается. Открывается клапан 8 и газ самотеком перетекает из контейнера 3 в баллоны 11. Оставшийся газ через открытый клапан 6 выпускают из контейнера в баллонную станцию низкого давления (не показана) или в атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 1 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 5, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него, а цикл повторяется.The thermostat operates as follows. In the initial position, the power frame 1 is shifted from the axis of the container 3. On the lower tube 5, located outside the container, the workpiece is installed and introduced into the working space of the gas thermostat chamber. The power bed is mounted on the axis of the container. The control pressure is supplied to the valve actuator 8, the valve opens, and gas flows by gravity from the cylinders 11 into the container. After equalizing the pressure in them, the valve 8 closes. Then, valves 7, 9 are opened and, with the help of compressor 10, the pressure in the container rises to a predetermined value. Next, the compressor stops, and valves 7 and 9 are closed. The heating system is turned on, warming up the workpiece to the required temperature. At a given pressure and temperature, the workpiece is aged for the required time. Then the working space of the chamber with the workpiece is cooled. Valve 8 opens and gas flows by gravity from container 3 into cylinders 11. The remaining gas is discharged through open valve 6 from the container to a low-pressure balloon station (not shown) or to the atmosphere. After reducing the pressure in the container to atmospheric pressure, the power bed 1 moves from the axis of the container, releasing the lower plug 5, which, together with the processed product, is removed from it, and the cycle repeats.

Таким образом оснащение газостата нормально закрытыми клапанами с увеличенным условным проходом, у которых шток цилиндра разгрузки жестко связан со штоком сервопривода, позволяет:Thus, equipping a gas thermostat with normally closed valves with increased nominal bore, in which the discharge cylinder rod is rigidly connected to the servo rod, allows:

- обеспечить гарантированную внутреннюю герметичность клапана в любом диапазоне давлений рабочего цикла и создать надежную газовую систему машины;- to ensure guaranteed internal tightness of the valve in any pressure range of the duty cycle and create a reliable gas system of the machine;

- создать надежный и высокопроизводительный промышленный газостат;- create a reliable and high-performance industrial gas thermostat;

- уменьшить время выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды по газовому трубопроводу и через запорную аппаратуру с повышенной пропускной способностью;- reduce the execution time of the operations of the work cycle associated with the movement of the working medium through the gas pipeline and through the locking equipment with increased throughput;

- сократить общее время рабочего цикла, увеличить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.- reduce the total time of the working cycle, increase the productivity of the gas thermostat and reduce the cost of products.

Claims

1. A gas thermostat containing a power bed and a container with plugs forming its working chamber, connected by a gas pipeline to a gas system, including shut-off valves with an increased nominal bore, containing a cup, an unloading cylinder with a rod mounted inside a spring of low rigidity, creating the necessary contact pressure in a pair of "needle-saddle", and a servo drive with a rod, while the rods of the gas unloading cylinder and the servo drive are made in contact with each other and connected, characterized in that the rods of gas qi Lindra and servo are interconnected rigidly.

2. The thermostat according to claim 1, characterized in that the rods of the discharge cylinder and the servo drive are made with a flat contact form.

3. The thermostat according to claim 1, characterized in that the rods of the discharge cylinder and the valve servo are made with a curved contact shape.

4. The thermostat according to claim 1, characterized in that the connection of the discharge cylinder and the valve cup is made bayonet with a radial clearance.