газостат
Классы МПК: | B22F3/15 горячее изостатическое прессование |
Автор(ы): | Тришкин Виктор Григорьевич (RU), Пасечник Николай Васильевич (RU), Сивак Борис Александрович (RU), Наливайко Александр Владимирович (RU), Шляхин Александр Павлович (RU), Черваков Николай Павлович (RU), Чехова Наталья Викторовна (RU), Цыбин Михаил Андреевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество Акционерная холдинговая компания "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова" (ОАО АХК "ВНИИМЕТМАШ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-10-08 публикация патента:
27.08.2011 |
Изобретение относится к области порошковой металлургии, непосредственно к оборудованию для обработки дискретных или сплошных 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. Газостат, содержащий силовую станину и контейнер с нижней пробкой и верхней пробкой, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с компрессором низкого давления и компрессором высокого давления и установленным между ними регулятором давления мембранного типа, и с запорными клапанами газовой системы, при этом регулятор давления мембранного типа включает верхнюю плиту с полостью и нижнюю плиту с полостью в виде кольцевой проточки и с центральной полостью, образующей совместно с кольцевой проточкой плоский кольцевой поясок, поверхность которого притерта с мембраной, при этом полость верхней плиты с помощью ручных вентилей сообщена с газовой системой или с атмосферой, площадь полости верхней плиты больше площади кольцевой проточки нижней плиты, а уплотнения высокого давления мембраны выполнены неподвижными. Каждая из упомянутых полостей нижней плиты и верхней плиты связана с трубопроводом, соединяющим линию нагнетания компрессора низкого давления с линией всасывания компрессора высокого давления, а центральная полость нижней плиты связана с линией всасывания компрессора низкого давления. Изобретение позволяет сократить время выполнения операций рабочего цикла газостата, связанных с перемещением рабочей среды из баллонов газовой системы в рабочую камеру газостата и обратно. 2 ил.
Формула изобретения
Газостат, содержащий силовую станину и контейнер с нижней пробкой и верхней пробкой, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с компрессором низкого давления и компрессором высокого давления и установленным между ними регулятором давления мембранного типа, и с запорными клапанами газовой системы, при этом регулятор давления мембранного типа включает верхнюю плиту с полостью и нижнюю плиту с полостью в виде кольцевой проточки и с центральной полостью, образующей совместно с кольцевой проточкой плоский кольцевой поясок, поверхность которого притерта с мембраной, при этом полость верхней плиты с помощью ручных вентилей сообщена с газовой системой или с атмосферой, площадь полости верхней плиты больше площади кольцевой проточки нижней плиты, а уплотнения высокого давления мембраны выполнены неподвижными, отличающийся тем, что каждая из упомянутых полостей нижней плиты и верхней плиты связана с трубопроводом, соединяющим линию нагнетания компрессора низкого давления с линией всасывания компрессора высокого давления, а центральная полость нижней плиты связана с линией всасывания компрессора низкого давления.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дисперсных 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:
- собственно газостат, включающий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину;
- газовая и вакуумная системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере машины;
- системы нагрева и охлаждения;
- а также система управления.
Эффективность работы газостата во многом зависит от производительности и надежности его главной - газовой системы. В свою очередь качественный уровень работы последней определяется производительностью газового привода машины, а именно производительностью и схемой включения газовых компрессоров, пропускной способностью запорной аппаратуры и газового трубопровода, а также конструкцией самой газовой системы.
Аналогом изобретения является газостат, описанный в книге Кривоноса Г.А., Максимова Л.Ю., Зверева А.Д. Процессы и оборудование для газостатической обработки. М., Металлургия, 1994 г., стр.110. Газостат-аналог содержит газовую и вакуумные системы, собственно газостат с системой нагрева и систему охлаждения.
Газовая система аналога содержит баллонную станцию, компрессор, контрольно-измерительную аппаратуру, трубопроводы и запорно-регулирующую аппаратуру высокого давления (запорные вентили с ручным управлением). Существенным недостатком аналога является то, что для создания давления в контейнере используется один компрессор, установленный непосредственно между баллонной станцией и рабочей камерой, максимальное давление нагнетания которого должно быть не менее технологически необходимого давления рабочего цикла, находящегося в диапазоне 200-500 МПа. Следует отметить, что создание давлений, превышающих 200 МПа, одним компрессором практически невозможно. При указанном расположении компонентов, а именно: баллоны-компрессор-рабочая камера, производительность компрессора резко снижается по мере увеличения его степени сжатия - отношения давления нагнетания к давлению всасывания, в данном случае равное отношению давления в контейнере к давлению в баллонах. При этом увеличивается время рабочего цикла и снижается производительность газостата.
Прототипом изобретения является газостат, описанный патентом РФ № 2350429 от 09.06.2007 года. Газостат-прототип содержит контейнер с пробками, образующими его рабочую камеру, силовую станину, газовую систему, соединенную с рабочей камерой трубопроводом высокого давления и снабженную запорно-регулирующей аппаратурой с небольшим условным проходом Ду 3-5 мм, системы нагрева и охлаждения, а также систему управления. Газовая система оснащена компрессорами низкого и высокого давлений с возможностью их одновременной работы с максимальной производительностью в режимах параллельного и последовательного включения за счет установки между компрессорами низкого и высокого давлений регулятора давления игольчатого типа.
К недостаткам газовой системы прототипа следует отнести использование игольчатого регулятора давления достаточно сложной конструкции, оснащенного запорными тарельчатыми пружинами большой жесткости и подвижной иглой с блоком ее уплотнений. Внутренняя герметичность клапана и его работоспособность могут быть обеспечены только при соблюдении высокой степени соосности диаметров подклапанной полости и стержня иглы, а также отсутствия биения посадочного конуса иглы относительно ее стержня. Регулятор давления установлен на трубопроводе небольшого объема, соединяющем компрессоры низкого и высокого давлений, в котором имеет место значительная пульсация давления газа в короткий промежуток времени. При частом срабатывании регулятора его острая кромка обминается и разрушается под действием усилия блока жестких тарельчатых пружин в процессе посадки в седло закаленной иглы, интенсивно изнашиваются элементы блока уплотнений и «разбалтываются» соединения высокого давления трубопровода и аппаратуры. В результате требуется регулярно частое восстановление рабочих поверхностей иглы и седла регулятора, замены блока изношенных уплотнений и восстановление герметичности газовых соединений.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных, надежных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и нанопорошковых материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды при температуре до 2000°С.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении времени создания заданного давления в контейнере и откачивания газа из него в конце рабочего цикла.
Задача решается тем, что газостат, содержащий силовую станину и контейнер с нижней пробкой и верхней пробкой, образующими его рабочую камеру, соединенную газовым трубопроводом с компрессором низкого давления и компрессором высокого давления и установленным между ними регулятором давления мембранного типа, и с запорными клапанами газовой системы, при этом регулятор давления мембранного типа включает верхнюю плиту с полостью и нижнюю плиту с полостью в виде кольцевой проточки и с центральной полостью, образующей совместно с кольцевой проточкой плоский кольцевой поясок, поверхность которого притерта с мембраной, при этом полость верхней плиты с помощью ручных вентилей сообщена с газовой системой или с атмосферой, площадь полости верхней плиты больше площади кольцевой проточки нижней плиты, а уплотнения высокого давления мембраны выполнены неподвижными. Каждая из упомянутых полостей нижней плиты и верхней плиты связана с трубопроводом, соединяющим линию нагнетания компрессора низкого давления с линией всасывания компрессора высокого давления, а центральная полость нижней плиты связана с линией всасывания компрессора низкого давления.
Конструкция предлагаемого газостата представлена на фигуре 1, а на фигуре 2, в качестве информационного материала, показана конструкция регулятора давления игольчатого типа (прототип).
Газостат содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, нормально-закрытые клапаны с увеличенным проходом 6, 7, 8 и 9, газовый компрессор низкого 10 (КНД) и высокого 11 (КВД) давлений, а также баллонную станцию 12. КВД, как правило, - двухступенчатые. 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 13, при этом газовый ввод 14 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке. На трубопроводе, соединяющем компрессоры, установлен регулятор давления мембранного типа 15. Между верхней 16 и нижней 17 плитами зажата с помощью шпилек 18 металлическая мембрана 19, уплотненная неподвижными резиновыми кольцами 20. В верхней плите 16 выполнена расположенная над мембраной полость 21, соединенная с манометром 22. В нижней плите выполнена кольцевая проточка 23. Обе соединены между собой внешним трубопроводом. На трубопроводе установлены вспомогательные ручные вентили 24, 25 и 26. В центре нижней плиты выполнена полость 27, соединенная со всасыванием КНД и образующая совместно с проточкой 23 плоский кольцевой поясок 28, поверхность которого притерта с мембраной 19.
Конструкция мембранного регулятора давления значительно проще, а значит и надежнее регулятора игольчатого типа, поскольку в ней отсутствуют подвижные уплотняемые элементы, требующие для обеспечения нормальной работы узла высокой точности при изготовлении и сборке его элементов. Мембрана, поддерживаемая с обеих сторон давлением газа, работает в режиме плавного прогиба при открытии регулятора и посадки ее на поясок 28 при его закрытии.
Производительность КНД, как правило, выше производительности KBД. Регулятор давления автоматически синхронизирует производительности КНД и КВД, перепуская газ из нагнетательной магистрали КНД в его всасывающую линию при увеличении давления в ней выше величины настройки регулятора. Регулятор настраивается на давление, равное максимальному давлению всасывания КВД, которое несколько ниже давления срабатывания предохранительного клапана КНД. Регулировка давления в полости 21 - над мембраной осуществляется за счет закачки в нее газа КНД, либо за счет выпуска газа в атмосферу через вентиль 24. Таким образом обеспечивается работа компрессоров с максимальной производительностью и исключается безвозвратный выброс газа в атмосферу через предохранительный клапан КНД в процессе подъема давления в контейнере при последовательном включении КНД и КВД.
Газостат работает следующим образом. Перед проведением первого рабочего цикла настраивается регулятор давления 15 - одноразовая операция. Открывают клапан 9 и вспомогательный вентиль 25, включают КНД 10 и газ из баллонной станции 12 закачивают в полость 21 и кольцевую проточку 23, соотношение площадей которых определяет момент срабатывания регулятора - подъема мембраны 19 над пояском 28. Например, после подъема давления в указанных полостях до 30 МПа, контролируемого по манометру 22, вентиль 25 закрывают, при этом мембрана 19, прижимаемая давлением к притертому пояску, надежно отделяет кольцевую проточку 23 от полости 27. Регулятор будет открываться при прогибе мембраны вверх, когда давление в кольцевой проточке 23 достигнет 35 МПа, равного максимальному давлению всасывания КВД. В конце настройки КНД выключают, а регулятор давления настроен и газостат готов к проведению рабочих циклов.
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 12 в контейнер. После выравнивания в них давления клапан 8 закрывается. Затем открываются клапаны 7 и 9, а также вентиль 26, и с помощью компрессоров 10 и 11 давление в контейнере поднимается до заданной величины. При этом за счет установки мембранного регулятора давления обеспечивается максимальная производительность КВД и минимальное время создания необходимого давления в рабочей камере газостата. Далее компрессоры останавливают, а клапаны 7 и 9 закрываются, вентиль 26 остается открытым. 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 12. 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, и цикл повторяется.
Таким образом, оснащение газовой системы машины нормально-закрытыми клапанами и газовым трубопроводом с увеличенным проходом, последовательно включенными компрессорами низкого и высокого давлений, между которыми установлен регулятор давления мембранного типа, позволяет:
- создать надежный и высокопроизводительный газостат с большим объемом рабочей камеры;
- уменьшить время выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды по газовому трубопроводу и через запорную аппаратуру компрессорами, работающими с максимальной производительностью;
- сократить общее время цикла, повысить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.
На фиг.2 (указанной в качестве информационного материала) приведены позиции, относящиеся только к фиг.2, а именно
- 1 - пружина,
- 2 - стакан,
- 3 - блок уплотнений,
- 4 - корпус,
- 5 - стержень иглы,
- 6 - острая кромка седла,
- 7 - подклапанная полость,
- 8 - надклапанная полость.
Класс B22F3/15 горячее изостатическое прессование