CC BY
16
УДК 624. 139
С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, А. Д. ЕФРЕМОВ
КЛАПАННЫЙ МЕХАНИЗМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РЫХЛИТЕЛЯ
Контактные уплотнителъные устройства пневматической арматуры, осуществляющие герметизацию соединений за счёт плотного прилегания (прижатия) уплотняющих деталей (седло -капкан) имеют наиболее высокую надёжность герметизации. Поэтому они незаменимы в пневматических системах высокого давления газодинамических рыхлителей там, где утечки сжатого воздуха не допускаются, в клапанных механизмах.
Металлопластмассовые клапаны повышают работоспособность клапанного механизма рабочего органа газодинамического рыхлителя.
Ключевые слова: герметизация, седло - клапан, сжатый газ.
Эксплуатировать пневматическую арматуру газодинамического рыхлителя приходится в условиях низких отрицательных температур, ограниченного пространства рабочего органа и базовой машины.Арматурой принято называть устройства, отделяющие газообразную рабочую среду (сжатый воздух высокого давления) от окружающего пространства и позволяющие регулировать её перемещение - выхлоп из рабочей камеры или рыхлении мёрзлого или прочного грунта.
Клапанный механизм (рис. 1) в газодинамическом рыхлителе [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] является основным узлом, обеспечивающим получение газодинамического эффекта. Клапанный механизм состоит из клапана 1, пружины 2 и седла 3. Клапанный механизм контролирует выход сжатого газа через выхлопные отверстия 4, расположенные на разрядной втулке 5 (см. рис. 1, вариант 1).
Клапан 1 является нормально прикрытым и разделяет полость разрядной втулки 5 на камеру управления 6 и рабочую камеру 7.
Для такого типа клапанов характерно то, что при отсутствии сжатого газа в камере управления бив рабочей камере 7 выхлопные отверстия 4 на разрядной втулке 5 остаются закрытыми клапаном 1 под действием усилия пружины 2. При подаче сжатого газа в камеру управления 6 усилие поджатая клапана 1 к седлу 3 увеличивается.
При наличии избыточного давления в рабочей камере 7 и отсутствии давления в камере управления 6, клапан 1 перемещается вниз и открывает выхлопные отверстия 4, то есть управляется такой клапан энергией сжатого газа.
Возвращение клапана 1 в нормально прикрытое положение осуществляется под действием усилия пружины 2.
Стабильная работа клапанного механизма зависит, прежде всего, от очистки сжатого воздуха, который одновременно является энергоносителем для рыхления мёрзлого или прочного грунта.
Испытания клапанных механизмов газодинамических рыхлителей показали, что применяя фильтры, влаго- и маслоотделители, добиться полного осушения морозного воздуха в пневмосистеме рыхлителя не удаётся.
Вариант 1
Вариант 2
Максимов С. В., Ивкин В. С., Ефремов А. Д., 2009
Рис. 1. Клапанные механизмы газодинамического
рыхлителя: Вариант 1 - изготовленный только из стали; Вариант 2 - клапан изготовлен из фторопласта или поликапролактана (капрона), а седло - из легированной стали с термически обработанным контактирующим
гребешком
При разрядке рабочей камеры 7 сжатый воздух, дросселируя из выхлопных отверстий 4 разрядной втулки 5 рыхлителя, охлаждается, его температура понижается до отрицательной, что приводит к обмерзанию (обледенению) клапанного механизма в зоне контакта седла 3 с клапаном 1 (см. рис. 1, вариант 1).
Герметичность клапанного механизма при повторном цикле работы рыхлителя нарушается из-за появления ледяной плёнки между седлом 3 и металлическим клапаном 1. Поэтому изготавливать клапан 1 только из стали нельзя (см. рис. 1, вариант 1).
Повышение рабочих давлений сжатого воздуха, работа в условиях низких отрицательных температур повлекло за собой использование при изготовлении уплотнений более пригодных для этих условий материалов. Такими материалами являются полимеры - фторопласт и поли-капролактам (капрон).
Замена металлов пластмассами в конструкциях клапанного механизма требует внимательного подбора их вида и марки в зависимости от условий нагрузок, отрицательной температуры эксплуатации. Требования, которые предъявляются к материалу уплотнителя соединений в пневматической системе высокого давления газодинамического рыхлителя, весьма противоречивы.
С одной стороны, материал уплотнителя должен быть эластичным и мягким. Чтобы обеспечить минимальные усилия, уплотнения и лёгкость работы клапанных устройств. С другой стороны, от материала требуется высокая механическая прочность, способная противостоять разрушающему действию высокого давления сжатого воздуха.
Материалом, наиболее полно удовлетворяющим всем вышеперечисленным требованиям, является фторопласт.
Фторопласт не растворяется ни в одном растворителе. На него действует только фторированный керосин. Этой полимер не смачивается водой и не набухает в ней. Водопоглощение фторопласта равно нулю [11, 12].
По химической стойкости фторопласт превосходит все известные материалы, включая золото и платину. Он практически стоек ко всем органическим и минеральным маслам, кислотам, щелочам, органическим растворителям и разрушается только при действии расплавленных щелочных металлов. Фторопласт исключительно стоек к низким температурам, не становится хрупким даже при температуре жидкого воздуха [11]. Его коэффициент трения в 7 раз ниже коэффициента трения хорошо полированной стали.
Фторопласт - самый тяжёлый полимер из всех существующих.
Поликапролактам (капрон) имеет малый удельный вес, высокую механическую прочность, износостойкость, низкий коэффициент трения, хорошую адгезию (прилипаемость) к металлу, устойчив к действию большинства растворителей [11, 12].
Из поликапролактама изготавливают шестерни, вкладыши подшипников, лопасти судовых гребных винтов, вентиляторы [11].
Но клапаны, изготовленные только из поликапролактама (см. рис. 1, вариант 2), неудовлетворительно работали в период оттепели (весной). Это можно объяснить тем, что поликапролактам способен поглощать определённое количество влаги.
В результате изменились как механические свойства клапана, так и его геометрические размеры. Клапан зависал в разрядной втулке, не перекрывал выхлопных отверстий, заклинивался. Подвод сжатого воздуха в камеру управления и усилие пружины не обеспечивали возвращение клапана в нормально прикрытое положение.
Поликапролактам получают методом гидролитической полимеризации в присутствии воды. Процесс длится до 18 часов при температуре 523К. Получается полимер, содержащий 10 12% вещества, растворимого в воде (остаточного мономера). Оставаясь в изделиях, мономер снижает их механическую прочность и увеличивает влагопоглоще-ние [11,12].
В результате в условиях повышенной влажности, под нагрузкой клапан из капрона быстро теряет свою первоначальную прочность, изменяет свои геометоические оазмеоы.
Ж ДА
V Таких же размеров клапан (см. рис. 1, вариант 2), но изготовленный из фторопласта, безотказно работал в тех же погодных и грунтовых условиях, в которых проходил испытания капроновый клапан.
Герметичность соединения обеспечивалась путём вдавливания конического гребешка седла в тело фторопластового клапана. Чем твёрже и прочнее выступающая рабочая часть седла (гребешок), тем лучше, так как это снижает опасность его повреждения. Полевые испытания клапанных механизмов газодинамического рыхлителя проводились на суглинке с примесью опочного камня до 40%, при температуре наружного воздуха от 0 °С до -26 °С.
Температура мёрзлого грунта на глубине 100 мм от поверхности изменялась за период проведения испытаний от 0 °С до -15 °С.
Влажность грунта за период проведения испытаний изменилась в пределах 27 -^33%.
Как показали испытания, более долговечными являются металлопластмассовые клапаны, то есть клапаны, в которых полимерные уплотнители упрочнены металлическим корпусом, а седло изготовлено из легированной стали 40Х с последующей термической обработкой (рис. 2, варианты 3 и 4).
Металлопластмассовые клапаны повышают работоспособность клапанного механизма рабочего органа газодинамического рыхлителя.
ВЫВОДЫ
1. Клапанный механизм газодинамического рыхлителя работает в условиях большой загрязнённости, широком диапазоне изменения отрицательных температур и влажности. Всё это предъявляет специфические требования к конструкции, материалу клапанного механизма и его уплотнений.
2. Фторопласт в качестве уплотнителя клапанного механизма газодинамического рыхлителя по сравнению с металлами обладает следующими преимуществами:
- способностью деформироваться при вдавливании в него острой металлической конической части седла;
- высокой износостойкостью из-за низкого коэффициента трения. Коэффициент трения фторосплава в 7 раз ниже коэффициента трения хорошо полированной стали;
- исключительно стоек к низким температурам, не становится хрупким даже при температуре жидкого воздуха [11];
фторопласт поддаётся всем видам обработки резанием, которые выполняют на обычных металлорежущих станках. Для получения необходимого качества уплотнительной поверхности важен выбор режима резания, причём при обработке рекомендуется учитывать специфические физико-механические свойства фторопласта; низкую теплопроводность, относительную мягкость. Скорость резания, глубина резания, подача принимаются равными величинам, принятым при обработке латуни или меди.
3. Как показали испытания, более долговечными и надёжными являются металлопластмассовые клапаны, то есть клапаны, в которых полимерные уплотнители упрочнены металлическим корпусом. Седло клапана целесообразно изготавливать из легированной стали с последующей термической обработкой контактирующего гребешка (см. рис. 2, варианты 3 и 4).
Вариант 3
Вариант 4
Рис. 2. Металлопластмассовые клапаны: Вариант 3 - в металлический корпус клапана впрессован уплотняющий полимерный материал; Вариант 4 - в металлический корпус клапана вмонтирована фторопластовая уплотняющая втулка,
закреплённая болтом
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А. с. 1421012 СССР, МКИ Е02Р5/32, Е21С37/14. Рыхлитель газодинамического действия / В. С. Ивкин (СССР). - №4095259/03; за-явл. 16.07.86; опубл. 10.05.99, БИ № 13. - 7 с.
2. Пат. № 2004710 С 1 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - № 4937446/03; за-явл. 16.05.91; опубл. 15.12.93, Бюл. № 45-46. -
1/1 о
1 -Т V/.
V 3. Пат. № 2052032 С 1 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. -№43057944/03; заявл. 29.12.93; опубл. 10.01.96, Бюл. № 1. - 16 с.
4. Пат. № 2209891 С 1 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. -№2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003, Бюл. №22.-12 с.
5. Пат. № 2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - № 2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004, Бюл. № 18. -16 с.
6. Пат. № 2236514 Российская Федерация, МГЖ 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К. заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003116529/03; заявл. 03.06.2003; опубл.
20.09.2004, Бюл. № 26.-15 с.
7. Пат. № 2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К. заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003130251/03; заявл. 10.10.2003; опубл.
20.01.2005, Бюл. №2.-11 с.
8. Пат. № 2252989 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - № 2004106179/03; заявл. 02.03.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. № 15. -12 с.
9. Пат. № 2256751 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20. -12 с.
10. Пат. № 2276235 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Устройство для разрушения
мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - № 2004118762/03; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13. -21 с.
11. Вуколов, В. М. Детали из пластмасс в пневмогидравлических системах / В. М. Вуко-лов, И. М. Кузьмичева. - Л. : Машиностроение, (Ленинградское отделение), 1974. - 144 с.
12. Макаров, Г. В. Уплотнительные устройства / Г. В. Макаров 2-е изд. - Л. : Машиностроение, (Ленинградское отделение), 1973. -232 с.
Максимов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГГУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.
Ивкин Валерий Семенович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.
Ефремов Александр Дмитриевич, студент 4 курса УлГТУ.
ч
