RU2467834C1

RU2467834C1 - Two-chamber gasostatic extruder

Info

Publication number: RU2467834C1
Application number: RU2011125793/02A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Шушурин; Борис Александрович Сивак; Виктор Григорьевич Тришкин; Александр Павлович Шляхин; Галина Леонидовна Акимова; Алексей Владимирович Зорин; Никита Сергеевич Толмачев; Николай Александрович Андросов; Константин Юрьевич Резнюков
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-11-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to industrial equipment for machining large-size parts from solid and discrete materials at up to 2000 MPa and 2000°C created in gasostic extruder working chamber medium. Proposed device comprises bearing bed and container with plugs to make its working chamber communicated via gas pipeline with gas system shutoff normally-closed valves with increased stop needle lift above the seat and gas release cylinder with stepped rod. Said cylinder houses the spring to allow permanent pressing of cylinder rod to servo rod. Every valve comprises piston, gas cylinder of unloading, needle with through inner channel communicating gas cylinder with under-valve chamber. Needle top end is located inside unloading cylinder while its bottom end divides above-valve and under-valve chambers. Valve is furnished with threaded sleeves fitted in servo drive bottom cover recesses. Valve piston doubles as a valve cover. Inner working chamber houses heater and heat-insulation canopy while partition may be cooled down. Every inner and outer chamber may be communicated with its pressure source. Partition may be composed by multiple sleeves to compensate for pressure generated in outer chamber. Sleeves may be press-fitted in place.

EFFECT: higher safety.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области создания оборудования для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 2500 МПа давлений и температур до 2300°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.The invention relates to the field of creating equipment for processing industrial products from discrete and continuous materials with simultaneous or combined exposure to high pressures and temperatures up to 2500 MPa of up to 2300 ° C created in the gas environment of the working chamber of a gas thermostat.

Работоспособность и металлоемкость газостатов в большой степени определяется конструкцией узлов высокого давления - контейнеров. При создании узлов высокого давления используют различные конструкции: работающие в упругой области, монолитные автофретированные, многослойные, скрепленные обмоткой и скрепленные с разрезными втулками.The performance and metal consumption of gas thermostats is largely determined by the design of high-pressure units - containers. When creating high-pressure units, various designs are used: working in the elastic region, monolithic autofretched, multilayer, fastened with a winding and fastened with split bushings.

Узлы высокого давления, выполненные в виде монолитных цилиндров, работающих в упругой области, наиболее просты по конструкции. Однако наибольшее давление Р_мах, допустимое для такого цилиндра, не может превышать половины предела текучести. При реально встречающихся на практике соотношениях размеровHigh-pressure units made in the form of monolithic cylinders operating in the elastic region are the simplest in design. However, the highest pressure P _max allowed for such a cylinder cannot exceed half the yield strength. When actually encountered in practice, aspect ratios

где σ_т - предел текучести материала.where σ _t - yield strength of the material.

При создании газостатов во избежание аварийных ситуаций узел высокого давления должен обладать достаточным запасом прочности, что исключает работу с напряжениями, близкими к пределу текучести. Малая эффективность использования монолитного контейнера связана с резкой неравномерностью распределения напряжений от рабочего давления, внутренние слои нагружаются сильно, наружные практически не включаются в работу. Эту проблему можно решать с помощью автофретирования или используя многослойные и скрепленные конструкции. В этих случаях максимальное рабочее давление в контейнере может составлятьWhen creating gas thermostats, in order to avoid accidents, the high-pressure unit must have a sufficient margin of safety, which excludes work with stresses close to the yield strength. The low efficiency of using a monolithic container is associated with a sharp uneven distribution of stresses from the working pressure, the inner layers are loaded heavily, the outer ones are practically not included in the work. This problem can be solved by using autofretting or using multilayer and bonded structures. In these cases, the maximum working pressure in the container may be

Современные высокопрочные легированные стали имеют предел текучести σ_т=2000 МПа, поэтому максимальное рабочее давление в контейнерах, выполненных многослойными, автофретированными или скрепленными высокопрочной лентой, может достигать не более 4000МПа. Учитывая запас прочности, на практике максимальное давление в контейнере должно быть ограничено значениями 2000…2500 МПа.Modern high-strength alloyed steels have a yield strength σ _t = 2000 MPa, therefore, the maximum working pressure in containers made of multilayer, autofretched or fastened with high-strength tape can reach no more than 4000 MPa. Given the margin of safety, in practice, the maximum pressure in the container should be limited to 2000 ... 2500 MPa.

Для решения этих задач предлагается двухкамерный газостат, в котором контейнер содержит две независимые полости с независимо создаваемым высоким давлением, а суммарное усилие от этих давлений передается на безрезьбовые пробки, которые удерживаются силовой рамой.To solve these problems, a two-chamber gas thermostat is proposed, in which the container contains two independent cavities with independently generated high pressure, and the total force from these pressures is transmitted to threadless plugs that are held by the power frame.

Аналогом изобретения является двухкамерный газостат, описанный в книге «Процессы и оборудование для газостатической обработки», М.: «Металлургия», 1994 г., стр.288. Газостат-аналог содержит контейнер, станину (силовую раму), на которую опираются гладкие верхняя и нижняя пробки, печную вставку с нагревателем и теплоизоляционным колпаком, разделительную герметичную оболочку, образующую внутреннюю камеру газостата, в которую помещается заготовка. Два газовых подвода соединяют два источника давления с внутренней камерой и контейнером газостата. Устройство сравнения давления обеспечивает контроль давлений в камерах газостата. Разделительная оболочка выполнена тонкостенной и ее прочностные свойства позволяют выдерживать перепад давления ±1…2 МПа.An analogue of the invention is a two-chamber gas thermostat described in the book "Processes and equipment for gas-static treatment", M .: "Metallurgy", 1994, p. 288. The analog gas thermostat contains a container, a bed (power frame), on which smooth upper and lower tubes are supported, a furnace insert with a heater and a heat-insulating hood, an airtight separation shell, which forms the inner chamber of the gas thermostat into which the workpiece is placed. Two gas inlets connect two pressure sources with an internal chamber and a gas thermostat container. A pressure comparison device provides pressure control in the chambers of the gas thermostat. The separation shell is thin-walled and its strength properties allow it to withstand a pressure drop of ± 1 ... 2 MPa.

Недостатком аналога является то, что разделительная оболочка предназначена только для разделения газовых сред, не несет силовую нагрузку и требует точного поддержания минимальной разности давлений по обе стороны от оболочки.The disadvantage of the analogue is that the separation shell is intended only for the separation of gaseous media, does not carry a power load and requires accurate maintenance of the minimum pressure difference on both sides of the shell.

Прототипом изобретения является двухкамерный газостат, описанный в патенте RU 2393058 С2 (заявка 2008134203, приоритет 22 августа 2008 г., зарегистрирован 27 июля 2010 г.).The prototype of the invention is a two-chamber gas thermostat described in patent RU 2393058 C2 (application 2008134203, priority August 22, 2008, registered July 27, 2010).

Газостат-прототип содержит силовую станину, контейнер с верхней и нижней пробками, образующими рабочую камеру, перегородку, разделяющую рабочую камеру на наружную камеру с нейтральной средой и внутреннюю камеру с реакционной рабочей средой, системы источников инертной и рабочей реакционной сред с запорными клапанами, соединенными с источниками давления, системы нагрева и управления. При этом контейнер выполнен в виде блока из трех втулок с каналами для охлаждающей жидкости, выполненными на наружной поверхности средней втулки, установленных с натягом, скрепленных бандажом из высокопрочной ленты, размещенной на наружной поверхности блока втулок. На поверхность внутренней втулки и торцевые поверхности верхней и нижней пробок нанесено медное покрытие. Перегородка выполнена тонкостенной и герметичной. Система управления выполнена с возможностью обеспечения давления нейтральной среды в наружной камере больше давления реакционной рабочей среды во внутренней камере, а также оснащена устройством синхронизации давления в наружной и внутренней камерах, выполненным в виде трех датчиков, соединенных между собой и с процессором системы управления.The prototype gas thermostat contains a power bed, a container with upper and lower plugs forming a working chamber, a partition separating the working chamber into an external chamber with a neutral medium and an internal chamber with a reaction working medium, a system of inert and working reaction medium sources with shut-off valves connected to pressure sources, heating and control systems. In this case, the container is made in the form of a block of three bushes with channels for the coolant, made on the outer surface of the middle bushings, installed with an interference fit, fastened with a bandage of high-strength tape placed on the outer surface of the bushings block. A copper coating is applied to the surface of the inner sleeve and the end surfaces of the upper and lower plugs. The partition is thin-walled and sealed. The control system is configured to provide a neutral medium pressure in the outer chamber more than the pressure of the reaction medium in the inner chamber, and is also equipped with a pressure synchronization device in the outer and inner chambers made in the form of three sensors connected to each other and to the control system processor.

Преимуществами такой конструкции являются ее простота, возможность работы с широким спектром реакционных газов.The advantages of this design are its simplicity, the ability to work with a wide range of reaction gases.

Недостатками конструкции являются:The disadvantages of the design are:

- ограничение рабочего давления в обеих камерах газостата;- limitation of the working pressure in both chambers of the gas thermostat;

- необходимость точного контроля давления в камерах и обеспечение конструктивно заданной разности давлений, чтобы не разрушить тонкостенную перегородку.- the need for precise control of the pressure in the chambers and providing a structurally specified pressure difference so as not to destroy the thin-walled partition.

Задачей предлагаемого изобретения является создание надежного двухкамерного газостата для обработки изделий промышленного назначения из дискретных и сплошных материалов высоким (до 3000 МПа) давлением газовой среды.The task of the invention is to provide a reliable two-chamber gas thermostat for processing industrial products from discrete and continuous materials with high (up to 3000 MPa) gas pressure.

Задача решается тем, что двухкамерный газостат содержит силовую станину и контейнер, закрытый по торцам верхней и нижней пробками и соединенный с газовой системой, содержащий источники давления. Контейнер снабжен перегородкой, разделяющей его на внешнюю и внутреннюю рабочую камеру с образованием отдельных герметичных полостей, закрытых верхней и нижней пробками. Во внутренней рабочей камере размещены нагреватель и теплоизоляционный колпак, перегородка выполнена с возможностью охлаждения, а каждая из внешних и внутренних рабочих камер соединена со своим источником давления.The problem is solved in that the two-chamber gas thermostat contains a power bed and a container closed at the ends of the upper and lower plugs and connected to the gas system containing pressure sources. The container is equipped with a partition dividing it into an external and internal working chamber with the formation of separate airtight cavities, closed by upper and lower plugs. A heater and a heat-insulating cap are placed in the inner working chamber, the partition is made with the possibility of cooling, and each of the external and internal working chambers is connected to its own pressure source.

Перегородка может быть выполнена многовтулочной для возможности компенсации напряжений от воздействия на нее давления, создаваемого во внешней камере.The partition can be multi-sleeve to compensate for stresses from exposure to pressure created in the external chamber.

Перегородка может быть выполнена многовтулочной, при этом втулки установлены с предварительным напряжением по прессовой посадке.The partition can be multi-sleeve, while the bushings are installed with prestress on the press fit.

Технический результат заключается в возможности создания оборудования, способного надежно работать с давлением до 3000 МПа, в улучшении ремонтопригодности и условий обслуживания газостата, в повышении надежности работы газовой системы газостата из-за использования в ряде случаев доступных высоколегированных сталей и как следствие не высокая стоимость оборудования, в повышении безопасности газостата в случае разгерметизации внутренней камеры. При этом произойдет выравнивание и снижение давления газа, т.к. внешняя камера имеет больший объем и меньшее давление газовой среды.The technical result consists in the possibility of creating equipment that can reliably work with pressures up to 3000 MPa, in improving the maintainability and service conditions of the gas stat, in improving the reliability of the gas system of the gas stat due to the use in some cases of affordable high alloy steels and, as a consequence, the low cost of the equipment, to increase the safety of the gas thermostat in case of depressurization of the inner chamber. This will equalize and decrease the gas pressure, because the external chamber has a larger volume and lower pressure of the gaseous medium.

Конструкция предлагаемого газостата представлена на фигуре 1, где показаны собственно газостат с разрезом рабочей камеры.The design of the proposed gas thermostat is presented in figure 1, which shows the actual gas thermostat with a cut of the working chamber.

Газостат (фиг.1) содержит силовую станину 1, контейнер 2, закрытый по торцам верхней 3 и нижней 4 пробками с уплотнениями 5 и 6, внутреннюю водоохлаждаемую перегородку в виде контейнера 7, закрытого верхней 8 и нижней 9 пробками с уплотнениями 10 и 11. Внутренний контейнер выполнен многовтулочным с установкой втулок по прессовой посадке, имеет печную вставку с нагревателем 12 и теплоизоляционным колпаком 13. Для контроля температуры в рабочей зоне используются термопары 15 и 16. Нагреватель имеет токоподводы 17 и 18. Компрессоры 19 и 20 газовой системы из газобаллонной станции (ГБС) 21 через блоки управляемых клапанов 22 и 23 по герметичным трубопроводам 24 и 25 создают в полостях 26 и 27 контейнеров газостата требуемое рабочее давление. Для охлаждения внутреннего контейнера выполнены магистрали с подводом воды 28 и отводом воды 29.The gas thermostat (figure 1) contains a power base 1, a container 2, closed at the ends of the upper 3 and lower 4 with plugs with seals 5 and 6, an internal water-cooled partition in the form of a container 7, closed with an upper 8 and bottom 9 plugs with seals 10 and 11. The inner container is multi-sleeve with the installation of bushings for press fit, has a furnace insert with a heater 12 and a heat-insulating cap 13. To control the temperature in the working area, thermocouples 15 and 16 are used. The heater has current leads 17 and 18. Compressors 19 and 20 of the gas system of g zoballonnoy station (GBS) 21 through the control valve 22 and 23 sealed conduits 24 and 25 to produce the cavities 26 and 27 gazostat required working pressure containers. To cool the inner container, pipes with water inlet 28 and water outlet 29 were made.

Газостат работает следующим образом. После загрузки заготовки в рабочую зону внутреннего контейнера 7, наружный контейнер 2 закрывается и фиксируется силовой рамой 1. Открываются клапаны газовой системы и заполняются полости внутреннего 26 и внешнего 27 контейнеров до выравнивания давления с ГБС. Включаются компрессоры 19 и 20 для создания начального давления. Включение нагревателя 12 обеспечивает поднятие рабочего давления до рабочего в полости 26 внутреннего контейнера 7. Давление, создаваемое в полости 27 компрессором 19, приводит к снижению напряжений во втулках контейнера 7, которые находятся во всестороннем сжатии от давления. Этим достигается возможность использования контейнера 7 газостата на давление порядка 2000...2500 МПа, т.к. при этом допускается использование доступных по свойствам легированных сталей как для контейнера 7, так и для контейнера 2.The thermostat operates as follows. After loading the workpiece into the working area of the inner container 7, the outer container 2 is closed and fixed by the power frame 1. The valves of the gas system are opened and the cavities of the inner 26 and outer 27 containers are filled until the pressure is equalized with the cylinder head. Compressors 19 and 20 are turned on to create the initial pressure. Turning on the heater 12 ensures that the working pressure is raised to the working pressure in the cavity 26 of the inner container 7. The pressure created in the cavity 27 by the compressor 19 leads to a decrease in the stresses in the bushings of the container 7, which are fully compressed from the pressure. This makes it possible to use the container 7 of the gas thermostat for a pressure of about 2000 ... 2500 MPa, because at the same time, it is allowed to use alloy steels available in properties for both container 7 and container 2.

Таким образом, использование в предлагаемой конструкции газостата с многовтулочной прочной перегородкой, образующей отдельную герметичную рабочую камеру со своим отдельным газовым подводом и печной вставкой с нагревателем и теплоизоляционным колпаком, позволяет:Thus, the use in the proposed design of a gas thermostat with a multi-sleeve strong partition, forming a separate sealed working chamber with its own separate gas supply and furnace insert with a heater and a heat-insulating hood, allows:

- создать надежный газостат за счет оптимизации конструкции и газового привода газостата;- create a reliable gas thermostat by optimizing the design and gas drive of the gas thermostat;

- повысить надежность газовой системы;- increase the reliability of the gas system;

- использовать доступные по цене высоколегированные стали;- use affordable alloyed steels;

- повысить безопасность работы газостата, в котором при разгерметизации внутренней полости с высоким давлением произойдет снижение и выравнивание давления в обеих камерах;- increase the safety of the gas thermostat, in which when depressurization of the internal cavity with high pressure will decrease and equalize the pressure in both chambers;

- улучшить ремонтопригодность и обслуживание газостата;- improve maintainability and maintenance of the gas thermostat;

- расширить технологические возможности гаммы газостатов, работающих на повышенных давлениях и позволяющих обрабатывать широкий спектр изделий из нанопорошков, сплавов, кристаллических и композиционных материалов.- expand the technological capabilities of the range of gas thermostats operating at elevated pressures and allowing to process a wide range of products from nanopowders, alloys, crystalline and composite materials.

Claims

1. A two-chamber gas thermostat containing a power bed and a container closed at the ends of the upper and lower plugs and connected to a gas system having pressure sources, characterized in that the container is provided with a partition dividing it into external and internal working chambers with the formation of separate airtight cavities, closed by upper and lower plugs, while in the inner working chamber there is a heater and a heat-insulating cap, the partition is made with the possibility of cooling, and each of the external and internal working X chambers is connected with its pressure source.

2. The two-chamber gas thermostat according to claim 1, characterized in that the partition is multi-sleeve for the ability to compensate for stresses from exposure to pressure created in the external chamber.

3. The two-chamber gas thermostat according to claim 1, characterized in that the partition is multi-sleeve, while the bushings are installed with prestress on the press fit.