Генератор пневматических импульсов

Изобретение относится к устройствам для создания высокоскоростной и высокоэнергетичной импульсной струи рабочего тела и может быть использовано в машиностроении, горнодобывающей промышленности и других отраслях народного хозяйства. Генератор пневматических импульсов содержит корпус с выпускным отверстием, в котором установлен патрубок, выпускной патрубок, клапан со штоком. Клапан установлен в полости корпуса с возможностью перекрывания выпускного отверстия. Привод клапана содержит мембрану, связанную со штоком и установленную в полости корпуса с образованием пневмокамеры, сообщающейся с выпускным патрубком. Генератор содержит также ресивер, сообщающийся с пневмокамерой. Корпус генератора размещен в полости ресивера, с которой сообщены выпускной патрубок и пневмокамера, причем суммарная площадь отверстий, сообщающих пневмокамеру с ресивером, больше площади выпускного отверстия, а привод клапана содержит электромагнит и якорь, соединенный со штоком. Такая конструкция генератора обладает более высокими массогабаритными показателями и имеет более высокие значения средней мощности пневматического импульса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для создания высокоскоростной и высокоэнергетичной импульсной струи рабочего тела (газа) и может быть использовано в машиностроении, горнодобывающей промышленности и других отраслях народного хозяйства. В частности, оно может быть использовано для очистки изделий в моющей жидкости от поверхностных загрязнений (минеральных или органических), накипи, для стирки тканых и нетканых материалов, для химической очистки, для мытья овощей, очистки и дезинфекции сточных вод, оттирки кварцевого песка и каолина от поверхностных примесей железа и т.п.

Известен генератор пневматических импульсов (патент РФ №2014526, F 15 B 21/12, 1994) [1], содержащий корпус с выпускным отверстием, в котором установлен патрубок, и выпускным патрубком. Корпус содержит клапан со штоком, установленный в полости корпуса с возможностью перекрытия выпускного патрубка, привод клапана, содержащий эластичную мембрану. Мембрана связана со штоком и установлена в полости корпуса с образованием управляющей камеры и пневмокамеры, сообщающейся с впускным и выпускным патрубками. Камеры герметизированы одна относительно другой.

Известный генератор работает следующим образом. Сжатый воздух от компрессора привода подается в управляющую камеру. Далее он поступает в пневмокамеру, при этом последняя герметизируется клапаном со стороны выпускного патрубка. По сигналу от блока управления привода сообщают управляющую камеру с атмосферой, и за счет разности давлений в пневмокамере и управляющей камере клапан быстро открывается, обеспечивая пневматический импульс сжатого газа из пневмокамеры.

К недостаткам известного генератора следует отнести малую среднюю мощность его пневматического импульса из-за усреднения давления сжатого газа при его изменении в течение импульса от максимального значения (десятки атмосфер) практически до нулевого значения в конце импульса. Объясняется это ограниченным объемом пневмокамеры, в котором создается запас сжатого газа перед импульсом. С увеличением объема пневмокамеры увеличиваются размеры корпуса. Это ведет к увеличению размеров эластичной мембраны (в частности, толщины), что усложняет ее изготовление и ухудшает работоспособность. Кроме того, увеличивается длина штока, что требует дополнительных мер по центрированию клапана относительно выпускного отверстия, что ведет к усложнению конструкции и ухудшению надежности работы генератора.

Известен генератор пневматических импульсов, выбранный в качестве прототипа (авт. свид. СССР №1774078, F 15 B 21/12, 1992) [2]. Генератор содержит корпус с выпускным отверстием, в котором установлен патрубок, и впускным патрубком. Корпус содержит клапан со штоком, установленный в полости корпуса с возможностью перекрытия выпускного патрубка, привод клапана, содержащий эластичную мембрану. Мембрана связана со штоком и установлена в полости корпуса с образованием пневмокамеры, сообщающейся с выпускным патрубком. Генератор содержит также ресивер, сообщающийся с пневмокамерой. На эластичной мембране закреплен подпружиненный толкатель, который посредством пружины сжатия зацеплен со штоком.

Генератор работает так. Сжатый газ из внешнего источника (компрессора) подается в пневмокамеру и внутреннюю полость ресивера. При этом клапан поджат к седлу за счет упругости пружины. При повышении давления сжатого газа в полости пневмокамеры и ресивера до рабочего значения эластичная мембрана через толкатель воздействует на пружину и, преодолевая ее упругость, резко отрывает клапан от седла. Происходит импульсный выпуск порции сжатого газа из полости пневмокамеры и ресивера за пределы корпуса генератора. Давление газа под клапаном резко возрастает, а перепад давлений на нем резко уменьшается. В результате клапан пружиной сжатия отбрасывается в сторону толкателя. При этом обеспечивается задержка клапана в положении открыто и происходит значительное уменьшение давления сжатого газа в пневмокамере и ресивере. При понижении давления сжатого газа в полостях пневмокамеры и ресивера растягивающее усилие на пружину уменьшается и последняя возвращает клапан на седло, герметизируя их друг относительно друга. После этого давление в пневмокамере и ресивере вновь увеличивается, и процесс импульсного истечения сжатого газа повторяется. Наличие в генераторе ресивера позволяет запасать в нем большое количество сжатого газа. Это способствует повышению мощности газового импульса, создаваемого в известном генераторе, по сравнению с другими известными генераторами.

К недостаткам известного генератора [2] следует отнести его низкие массогабаритные показатели. Объясняется это тем, что в генераторе [2] ресивер пространственно отделен от корпуса и сообщается с внутренней полостью пневмокамеры протяженным патрубком. Работа генератора [2] связана с высокими давлениями (более 10 атмосфер). Это ведет к увеличению толщины стенок корпуса, соединительных патрубков и ресивера и, как следствие, к увеличению массы генератора в целом.

Кроме того, генератор [2] не может работать в режиме малых изменений рабочего давления в полостях пневмокамеры и ресивера во время импульсов сжатого газа. Объясняется это тем, что в этом генераторе использован пневматический привод клапана, который после завершения пневматического импульса переводит клапан в закрытое состояние только при значительном (в несколько атмосфер) уменьшении давления сжатого газа в пневмокамере. Это связано с большим количеством элементов (мембраны, толкателя, упора на штоке, штока, пружины сжатия), участвующих в перемещении клапана. В итоге давление в пневмокамере в конце выпуска сжатого газа падает значительно. Кроме того, значительному падению давления сжатого газа способствует также то, что площадь сечения патрубка, соединяющего ресивер с пневмокамерой, меньше площади выпускного отверстия. Учитывая то, что средняя мощность импульса генератора пневматических импульсов прямо пропорциональна среднему давлению выпускаемого сжатого газа, существенное уменьшение давления сжатого газа при пневматическом импульсе ведет к уменьшению средней мощности импульса генератора.

В основу изобретения поставлена задача создать такой генератор пневматических импульсов, который по сравнению с известным генератором, выбранным в качестве прототипа, имел бы более высокие массогабаритные показатели и более высокие значения средней мощности пневматического импульса.

Поставленная задача решается в генераторе пневматических импульсов, который содержит корпус с выпускным отверстием, в котором установлен патрубок, выпускной патрубок, клапан со штоком. Клапан установлен в полости корпуса с возможностью перекрывания выпускного отверстия. Привод клапана содержит мембрану, связанную со штоком и установленную в полости корпуса с образованием пневмокамеры, сообщающейся с выпускным патрубком. Генератор содержит также ресивер, сообщающийся с пневмокамерой. В соответствии с изобретением корпус генератора размещен в полости ресивера, с которой сообщены выпускной патрубок и пневмокамера, причем суммарная площадь отверстий, сообщающих пневмокамеру с ресивером, больше площади выпускного отверстия, а привод клапана содержит электромагнит и якорь, соединенный со штоком. Для достижения наибольшего результата отношение объема полости пневмокамеры к объему полости ресивера должно составлять более чем 1:5.

Выполнение привода клапана в виде электромагнита с якорем сокращает число элементов, участвующих в перемещении клапана, что значительно снижает инерционность срабатывания клапана. Выполнение условия превышения площади отверстий, через которые ресивер сообщен с пневмокамерой, площади выпускного отверстия ведет к уменьшению перепада между давлениями в ресивере и пневмокамере во время пневматического импульса. Оба этих обстоятельства способствуют увеличению средней мощности пневматического импульса.

Размещение корпуса генератора во внутренней полости ресивера способствует улучшению массогабаритных показателей генератора. Во-первых, корпус и элементы, размещенные в нем, находятся в условиях одинакового воздействия давления сжатого газа на внутренние и наружные поверхности. Это исключает необходимость увеличения их толщины. Во-вторых, такое выполнение является более компактным.

Если объем полости ресивера будет превышать объем полости пневмокамеры более чем в 5 раз, давление в полости пневмокамеры во время пневматического импульса можно поддерживать практически на неизменном и максимальном уровне, что определяет высокую среднюю мощность пневматического импульса.

На чертеже представлено продольное сечение предлагаемого генератора пневматических импульсов.

Генератор содержит корпус 1 с выпускным отверстием, в котором установлен патрубок 2, и впускной патрубок 3, подсоединенный к ресиверу 4. Внутри корпуса 1 помещен привод клапана 5, содержащий электромагнит 6 с якорем 7. Последний соединен со штоком 8, который в свою очередь прикреплен к клапану 5. Клапан 5 выполнен с возможностью взаимодействия с неподвижным седлом 9, установленным в корпусе 1. Привод клапана 5 содержит также мембрану 10, расположенную между якорем 6 и клапаном 5. Мембрана 10 охватывает шток 8 и зафиксирована на нем неупругими элементами 11. Снаружи, по своему периметру, эластичная мембрана 10 закреплена на корпусе 1. Мембрана 10, клапан 5, боковая часть корпуса 1 между этими элементами и днище 12 корпуса 1 образуют пневмокамеру 13, сообщающуюся с внутренней полостью ресивера 4 с помощью, например, набора отверстий 14 в корпусе 1. Электрический кабель 15 для питания электромагнита 6 выведен наружу ресивера 4. Для контроля давления сжатого газа в полостях ресивера 4 и пневмокамеры 13 предусмотрен манометр 16, а для регулирования рабочего давления сжатого газа и защиты генератора от избыточного давления предусмотрен клапан 17.

Генератор работает так. В исходном положении клапан 5 опирается на седло 9, герметично перекрывая выпускное отверстие. От внешнего источника, например, компрессора (на чертеже не показан) сжатый газ через впускной патрубок 3 поступает в ресивер 4 и далее через отверстия 14 в пневмокамеру 13. Напуск сжатого газа осуществляют до давления 10...20 атмосфер. Для осуществления пневматического импульса на обмотки электромагнита 6 от внешнего импульсного электрического источника (на чертеже не показан) подают импульс тока величиной до 60 А и длительностью до 50 миллисекунд. Якорь 7 притягивается к электромагниту 6 и тянет за собой шток 8 с клапаном 5. В результате этого между последним и неподвижным седлом 9 создается кольцевой зазор, через который (и далее через выпускное отверстие и патрубок 2) сжатый газ импульсно выходит в окружающую среду, где используется, например, для возбуждения упругих колебаний. Во время выхода газа из пневмокамеры 13 давление его уменьшается. При этом расход сжатого газа из пневмокамеры 13 компенсируется его поступлением из ресивера 4 непосредственно во время пневматического импульса. Поскольку суммарная площадь отверстий 14 значительно больше выпускного отверстия, в котором установлен патрубок 2, то не образуется большого перепада между давлениями в полости ресивера 4 и в полости пневмокамеры 13 благодаря упомянутой ранее компенсации. Экспериментально установленный перепад давления составляет 0,2...0,3 атмосферы. По завершении действия импульса тока якорь 7 отсоединяют от электромагнита 6, и благодаря упругости эластичной мембраны 10 клапан 5 возвращается в исходное состояние, перекрывая выпускное отверстие. После восстановления запаса сжатого газа в ресивере 4 процесс повторяется. Частота повторения пневматического импульса составляет 1 Гц. Количество сжатого газа, расходуемого за один импульс, составляет до 10 л.

Из изложенного следует, что усредненное за время пневматического импульса давление сжатого газа в пневмокамере 13 будет мало отличаться от начального давления газа, благодаря чему мощность каждого импульса будет более высокой, чем мощность импульса, создаваемого генератором, выбранным в качестве прототипа.

Таким образом, предлагаемый генератор пневматических импульсов имеет более высокие значения средней мощности пневматического импульса и более высокие массогабаритные показатели, чем генератор, выбранный в качестве прототипа.

1. Генератор пневматических импульсов, содержащий корпус с выпускным отверстием, в котором установлен патрубок, впускной патрубок, клапан со штоком, установленный в полости корпуса с возможностью перекрывания выпускного отверстия, привод клапана, содержащий эластичную мембрану, связанную со штоком и установленную в полости корпуса с образованием пневмокамеры, сообщенной с выпускным патрубком, а также ресивер, сообщенный с пневмокамерой, отличающийся тем, что корпус генератора размещен в полости ресивера, с которой сообщены впускной патрубок и пневмокамера, причем суммарная площадь отверстий, сообщающих пневмокамеру с ресивером, больше площади выпускного отверстия, а привод клапана содержит электромагнит и якорь, соединенный со штоком.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что отношение объема полости пневмокамеры к объему полости ресивера составляет более чем 1:5.