быстродействующий затвор

Формула изобретения

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ЗАТВОР, содержащий кожух, в котором установлены трубопровод с седлом, поворотная дисковая заслонка, снабженная приводом и закрепленная на трубопроводе при помощи рычагов, причем на наружной поверхности трубопровода в зоне седла установлен заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, выполненной в виде кольцевой разводки с детонирующим шнуром, а на заслонке закреплен напольник, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, торцевая поверхность седла выполнена наклонной относительно плоскости, перпендикулярной оси трубопровода, причем угол между торцевой поверхностью седла и поверхностью заслонки, обращенной к седлу и находящейся в исходном параллельном оси трубопровода положении, выбран из соотношения

= 0

где - производная функции по углу наклона;

I() - момент инерции заслонки относительно оси вращения;

i - действующий на заслонку импульс привода;

Y() - расстояние между осью вращения и точкой приложения импульса привода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к запорным устройствам одноразового действия и предназначено для аварийного перекрытия трубопроводов высокого давления и большого диаметра.

Известный быстродействующий затвор содержит кожух, в котором устанавливается трубопровод с седлом, поворотная дисковая заслонка, снабженная приводом и закрепленная на трубопроводе при помощи рычагов, на наружной поверхности трубопровода, в зоне седла, установлен заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, выполненной в виде кольцевой разводки с детонирующим шнуром, а на заслонке закреплен накольник [1].

Недостатком известного затвора является сравнительно большое время перекрытия трубопровода.

Целью изобретения является повышение быстродействия затвора.

Цель достигается тем, что в быстродействующем затворе торцовая поверхность седла выполнена наклонной относительно плоскости, перпендикулярной оси трубопровода, причем угол между торцовой поверхностью седла и поверхностью заслонки, обращенной к седлу и находящейся в исходном, параллельном оси трубопровода положении, выбирается из соотношения:

= 0, где - производная функции по углу наклона;

- угол между торцовой поверхностью седла и поверхностью заслонки, обращенной к седлу и находящейся в исходном, параллельном оси трубопровода положении;

I() - момент инерции заслонки относительно оси вращения;

i - действующий на заслонку импульс привода;

Y( ) - расстояние между осью вращения и точкой приложения импульса привода.

Заявляемый быстродействующий затвор отличается от известного наклонным расположением торцовой поверхности седла и заданием соотношения для определения угла между торцом седла и исходным горизонтальным положением заслонки. Таким образом, заявляемый затвор соответствует критерию "новизна".

При поиске не обнаружено технических решений, содержащих признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа. Это обеспечивает соответствие критерию "существенные отличия".

Достижимость цели изобретения обусловлена следующим. Благодаря наклонному расположению торца седла с выбранным определенным образом углом наклона удалось оптимально сократить базу движения заслонки при сохранении ее прочности.

Наклон под произвольным углом, сокращая базу движения заслонки, еще не гарантирует однозначно сокращение времени перекрытия. Наклонное сечение трубы имеет вид эллипса, и перекрывающая его заслонка должна иметь увеличенные поперечные размеры по сравнению с вертикальным случаем седла. Кроме того, и толщина заслонки должна быть увеличена для сохранения прочности при работе на давление.

Из-за роста размеров заслонки увеличиваются ее масса и момент инерции, что снижает скорость вращения.

Таким образом, на время перекрытия действуют два противоположных фактора: сокращение базы движения заслонки за счет наклона торцевой поверхности седла; уменьшение скорости вращения из-за роста габаритов заслонки.

При различных значениях улов наклона преимущественное действие оказывает один из этих факторов. Соответственно диапазон углов от 0 до /2 делится на две области - выигрыша и проигрыша по времени перекрытия. Поэтому для повышения быстродействия затвора угол наклона не может быть произвольным, а определяется решением задачи оптимизации.

На фиг. 1 изображен затвор, вертикальный разрез; на фиг.2 - экспериментальная установка для определения углов наклона седла, дающих выигрыш во времени перекрытия.

Затвор состоит из трубопровода 1 с седлом 2, дисковой поворотной заслонки 3 и рычагов 4 для крепления заслонки к трубопроводу 1. На заслонке 3 расположены привод 5 и накольник 6.

На наружной поверхности трубопровода 1, в зоне седла 2, установлен заряд взрывчатого вещества 7, к которому присоединена кольцевая разводка 8 с капсюлем 9 и детонирующим шнуром 10.

Торцовая поверхность 11 седла 2 наклонена с обеспечением сокращения пути заслонки 3 из исходного положения до соприкосновения с торцом 11. Исходным положением заслонки принимается положение, в котором обращенная к седлу поверхность заслонки параллельна оси трубопровода 1, т.е. наименьшее отклонение заслонки, необходимое для беспрепятственного прохождения рабочего тела. Угол наклона выбран из соотношения

= 0, где - производная функция по углу наклона;

- угол между торцовой поверхностью седла и поверхностью заслонки, обращенной к седлу и находящейся в исходном положении;

I( ) - момент инерции заслонки относительно оси вращения;

i - действующий на заслонку импульс привода;

Y( ) - расстояние между осью вращения и точкой приложения импульса привода.

Затвор работает следующим образом. При срабатывании привода 5 заслонка 3, поворачиваясь на оси, перемещается к седлу 2 и входит в него до соприкосновения с торцом 11. В этот момент накольник 6 ударяет по капсюлю 9, который, срабатывая, возбуждает детонацию в шнуре 10 кольцевой разводки 8, что, в свою очередь, инициирует равномерно расположенный по окружности трубопровода заряд 7. Взрывом деформируется стенка трубопровода 1, которая обжимает заслонку 3, обеспечивая герметичное соединение.

Пример размерного расчета по определению оптимального угла наклона.

Для перекрытия трубы радиусом R=6 см с наклоном седла под искомым углом взят эллиптический диск с полуосями R= 6 см и R/sin = 6 см/sin . Толщина диска h/sin =1,5см/sin , где h= 1,5см - его толщина, необходимая для нормального функционирования при вертикальном положении седла. Импульс i приложен в центре удара, на расстоянии от оси вращения y = R/sin = 6см/sin = 7,5см/sin . Для конкретного случая взят i = 1110⁵ , что соответствует действию 5 г взрывчатого вещества.

Время перекрытия рассчитывается по углу наклона и скорости вращения :

t()= /(), ()= iY()/I(), где I() = M()(R/sin)² - момент инерции заслонки относительно оси вращения, примыкающей к диску. Так как при плотности = 7,8г/см³ масса стального диска

М()= h(R/sin)²=

= 7,8г/cм³.1,5см 3,14(6см/sin )²=

= 1322 г/sin² , то I() = (6см/sin)²= 59490гcм²= 59490гсм²/sin⁴ .

Тогда

() = = 138,7sin и t() = = 7,210³ c.

Дальнейший анализ формулы для t () показывает следующее.

При вертикальном положении плоскости седла t( = 0,5 ) время перекрытия t(0,5 )=7,2 10^-3 0,5 =11,310^-3 с. Для произвольных углов наклона время может быть как большим, так и меньшим этого значения. Например,

t (0,25 )=7,2 10^-3 =1610^-3 c,

t (0,4 )=7,2 10^-3 =10,510^-3 c.

Существуют две области: проигрыш по сравнению с вертикальным положением седла при углах 0...0,33 ; выигрыш при 0,33 ...0,5 .

Угол наибольшего выигрыша (оптимальный наклон, дающий наименьшее время перекрытия) определяется по минимуму функции t( ). Приравнивается к нулю производная = 7,210^-3 = 7,210(1-3ctg)/sin = 0, , что дает 3 = tg , откуда оптимальный = 0,42. Для него в рассматриваемом примере время перекрытия t(0,42)=7,210=10,410^-3с. По сравнению с вертикальным положением седла выигрыш во времени перекрытия составляет:

= = 8%

В институте проведены расчеты и эксперименты, результаты которых совпадают и одинаково подтверждают существование области углов наклона, обеспечивающих выигрыш во времени перекрытия.

Для проведения экспериментов была разработана и изготовлена установка (см. фиг.2). Установка содержит диск 12, имитирующий заслонку затвора. Был изготовлен комплект дисков диаметрами 100-160 мм, которые поочередно использовались в экспериментах. Диаметры дисков соответствуют размерам заслонки, необходимым для перекрытия трубопроводов при разных углах наклона торца седла (см. таблицу). Толщины дисков одинаковые и равны 15 мм. На диск 12 устанавливался через смягчающую прокладку 13 заряд взрывчатого вещества 14 диаметром 40 мм и массой 5 г. Через рычаг 15 и ось 16 диск 12 крепится к основанию 17. Центр заряда 14 размещали на расстоянии от ближнего к оси 16 края диска, равном 5/4 радиуса каждого из дисков. Установка снабжена контактами 18, cоединенными c иcточником питания. По замыканию контактов 18 заземленным диском 12 определяли время прохождения угловых баз его движения.

Результаты расчетов и экспериментов приведены в таблице.

Обозначения: D - диаметр диска; t_э, t_р - соответственно экспериментальное и расчетное время перекрытия; - погрешность измерения.

Как видно из таблицы, по сравнению со взаимно перпендикулярным расположением заслонки и торца седла ( = 0,5 ) выигрыш получается при наклоне торца седла на углы =0,435 - 0,362 . Выигрыш, выявленный экспериментами, заключается в сокращении времени перекрытия на 0,12-1,5 мс (0,5-12%) при незначительном увеличении диаметра заслонки.

Еще большим следует ожидать выигрыш при использовании заявляемого изобретения, если в конкретных устройствах будет осуществлена оптимизация по массогабаритным характеристикам заслонки и рычагов, по расположению оси вращения и привода заслонки.