Технический комитет по стандартизации
«Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259)

Акционерное общество «Научно-производственная фирма
«Центральное конструкторское бюро арматуростроения»

СТАНДАРТ ЦКБА

CT ЦКБА 121-2018

Арматура трубопроводная

КЛАПАНЫ ЗАПОРНЫЕ СИЛЬФОННЫЕ И САЛЬНИКОВЫЕ
С ВВИНЧИВАЕМЫМ ШПИНДЕЛЕМ
И НЕВРАЩАЕМЫМ ШТОКОМ

Методика силового расчета

АО «НПФ «ЦКБА»
2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом «Научно-производственная фирма «Центральное конструкторское бюро арматуростроения» (АО «НПФ «ЦКБА»)

2 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом от 18.09.2018 № 81

3 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

4 СОГЛАСОВАН Техническим комитетом по стандартизации «Трубопроводная арматура и сильфоны» (ТК 259)

СОДЕРЖАНИЕ

СТАНДАРТ ЦКБА

Дата введения: 01.12.2018

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на силовые расчеты запорных сильфонных и сальниковых клапанов с ввинчиваемым шпинделем и невращаемым штоком.

Стандарт устанавливает методику и порядок выполнения силового расчета. В стандарте приведены необходимые расчетные формулы и справочные таблицы.

2 Нормативные ссылки

2.1 В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 9484-81 Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба трапецеидальная. Профили

СТ ЦКБА 002-2003 Арматура трубопроводная. Задвижки. Методика силового расчета

СТ ЦКБА 034-2006 Арматура трубопроводная. Уплотнения сальниковые. Нормы герметичности

СТ ЦКБА 037-2006 Арматура трубопроводная. Узлы сальниковые. Конструкция и основные размеры. Технические требования

СТ ЦКБА 055-2008 Арматура трубопроводная. Затворы арматуры с уплотнением из фторопласта-4 и композиционных материалов. Технические требования и методы крепления уплотнительных колец

СТ ЦКБА 057-2008 Арматура трубопроводная. Коэффициенты трения в узлах арматуры

СТ ЦКБА 060-2008 Арматура трубопроводная. Ходовые резьбовые пары. Основные технические требования

СТ ЦКБА 068-2008 Арматура трубопроводная. Затворы запорных клапанов с уплотнением «металл по металлу». Технические требования

СТ ЦКБА 072-2009 Арматура трубопроводная. Крутящие моменты и размеры маховиков и рукояток

СТ ЦКБА 086-2010 Арматура трубопроводная. Технические данные и характеристики для силовых расчетов арматуры

2.2 В настоящем стандарте использованы следующие обозначения определяемых усилий и моментов:

Q₀ - наибольшее усилие вдоль шпинделя;

Q - усилие вдоль шпинделя в конечный момент закрытия или в начальный момент открытия;

Q₁ и Q₁′ - усилия вдоль шпинделя (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии соответственно;

М и М′ - наибольшие крутящие моменты на маховике или рукоятке при закрытии и открытии соответственно;

М_р и М_р′ - моменты в резьбе в конечный момент закрытия и начальный момент открытия соответственно;

М_р1 и М_р1′ - моменты в резьбе (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии соответственно;

М_п и М_п′ - моменты трения в пяте в конечный момент закрытия и начальный момент открытия соответственно;

M_б1 и М_б1′ - моменты трения в бурте соединительной муфты (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии соответственно;

Q_в и М_в - усилие по шпинделю и крутящий момент на маховике или рукоятке при создании верхнего уплотнения;

Q_м и Q_м′ - необходимые усилия на маховике или рукоятке при закрытии и открытии соответственно;

Q_ом - максимально возможное усилие вдоль шпинделя при расчете сверху;

q_ум - максимально возможная удельная нагрузка в уплотнении при расчете сверху;

q_п - предельно допустимая удельная нагрузка в уплотнении;

T_ш и Т_ш′ - усилия трения в шлицах (в шпонке или в другой детали, передающей вращение от приводного вала к шпинделю при наличии электропривода) в конечный момент закрытия и начальный момент открытия соответственно;

T_ш1 и Т_ш1′ - усилия трения в шлицах (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии соответственно;

М_э и М_э′ - наибольшие крутящие моменты на приводном валу электропривода;

М_э1 и М_э1′ - крутящие моменты на приводном валу электропривода (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии;

М_э2 и М_э2′ - крутящие моменты на приводном валу электропривода (подача среды на золотник) в конечный момент закрытия и начальный момент открытия.

2.3 В настоящем стандарте использованы следующие обозначения исходных данных:

Р - расчетное давление;

ΔР - перепад давления, при котором производится закрытие или открытие клапана;

P₁ - давление над золотником в закрытом положении;

D₁ и D₂ - внутренний и наружный диаметры уплотнения.

D_нар и D_вн - наружный и внутренний диаметры сильфона (тип II).

2.4 В настоящем стандарте использованы следующие обозначения входящих в расчет величин:

D_cp - средний диаметр уплотнения;

b - ширина уплотнения (рисунок 1);

D_выт - средний диаметр, принятый при расчете площади F_шп;

F - площадь действия давления среды на золотник;

F_шп - площадь действия давления среды на шпиндель;

Q_cp и Q_ср′ - усилия от давления среды на золотник при закрытии и открытии соответственно;

М_рв и М_бв′ - моменты в резьбе и в бурте при создании верхнего уплотнения;

М_рз и М_ро′ - моменты в резьбе в начальный момент закрытия и конечный момент открытия;

М_з и М_з′ - крутящие моменты на маховике или рукоятке в начальный момент закрытия и конечный момент открытия;

M₁ и M₁′ - крутящие моменты на маховике или рукоятке (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии;

М₂ и М₂′ - крутящие моменты на маховике или рукоятке (подача среды на золотник) в конечный момент закрытия и начальный момент открытия;

М_расч - расчетный крутящий момент на маховике или рукоятке;

М_кр^* - крутящий момент, по которому подбирается маховик или рукоятка;

М_кр - крутящий момент, развиваемый выбранным маховиком или рукояткой, или электроприводом;

Q_шп и Q_шп′ - усилия, выталкивающие шпиндель в закрытом и открытом положении соответственно;

Q_ср.м - наибольшее усилие от давления среды (подача среды под золотник);

Q_y и Q_y0 - усилия, необходимые для уплотнения при давлении Р и при Р → 0 соответственно;

Q_ом1 - максимальное усилие вдоль шпинделя при закрытии без среды;

Q_yм - максимально возможное усилие уплотнения при расчете сверху;

Q₂ - усилие вдоль шпинделя, соответствующее уплотнению разгрузочного золотника при отсутствии перепада давлений;

Q_з и Q_з′ - усилия вдоль шпинделя в начальный момент закрытия и конечный момент открытия соответственно;

Q_ст - осевая статическая нагрузка для подшипника;

i и n - передаточное число и коэффициент полезного действия редуктора;

T_c - сила трения в сальнике;

l - длина линии уплотнения;

n₁ - коэффициент, учитывающий угол наклона β и трение в уплотнении;

q_y и q_y0 - погонные нагрузки, необходимые для уплотнения при давлении Р и при Р → 0 соответственно;

q_y1, q_y2, q_y′ и q_y10 - погонные нагрузки при расчете q_y и q_у0;

L_y - условное плечо момента трения в уплотнении;

L_p, L_p′, L_p″ - условные плечи момента в резьбе шпинделя;

d_cp - средний диаметр резьбы шпинделя;

d_б и d_бэ - средние диаметры бурта (рисунок 1);

d_o - диаметр отверстия в основном золотнике, через которое проходит среда при разгрузке (подача среды на золотник при разгрузочном золотнике);

L_б, L_б′, L_бэ - условные плечи момента трения в бурте;

D_м^* (L^*) - диаметр маховика (длина рукоятки), развивающего (с округлением в большую сторону) момент М_кр^*;

D_м (L) - диаметр маховика (длина рукоятки) по чертежу;

x, x₁, x₁′, x₂, x₃′ - коэффициенты, учитывающие трение в шпонках или в других деталях, ограничивающих вращение штока или соединительной муфты;

μ_y - коэффициент трения в уплотнении;

μ_б и μ_бэ - коэффициенты трения в буртах;

μ_п - коэффициент трения в пяте;

μ и μ′ - коэффициенты трения в резьбе (движения и покоя соответственно);

m - коэффициент, учитывающий вид среды;

c и k - коэффициенты, зависящие от материала уплотнения;

y - коэффициент, принятый при расчете момента трения в пяте.

3 Методика силового расчета

3.1 Задача силового расчета

3.1.1 Задачей расчета является определение усилий и моментов, необходимых для управления клапаном, и получение исходных данных для расчета на прочность.

3.1.2 Условие прочности уплотнения:

3.2 Исходные данные

Для выполнения расчета должны быть представлены следующие исходные данные:

- тип клапана (рисунок 1) - тип I (сильфонный без сальника), тип II (сильфонный с дублирующим сальником), тип III (сальниковый);

- направление подачи среды (под золотник или на золотник);

- вид уплотнения - 1 или 2 (рисунок 2);

- материал уплотнения, шпинделя, резьбовой втулки, соединительной муфты, кулачковой втулки, опор буртов;

- вид рабочей среды;

- вид ручного привода (маховик, двуплечная рукоятка, одноплечная рукоятка или ключ);

- расположение маховика;

- геометрические размеры запорного клапана: β, a, D, d_c, D_н, Н, D_м (или L), D₁ и D₂ (рисунки 1 и 2);

- d×h - наружный диаметр d и ход резьбы шпинделя h (для однозаходной резьбы ход равен шагу t);

- величины давлений: Р, ΔР, Р₁.

Знаком «^~» отмечены величины без учета коэффициентов x, x₁, x₁′, x₂, x₃′.

3.3 Приведенные на рисунке 1 схемы клапанов распространяются на клапаны с различными конструкциями корпуса (проходные, угловые, со смещенными патрубками, прямоточные).

Вместо цельного невращаемого шпинделя могут быть невращаемые шпиндель и шток.

Соединение золотника со шпинделем - любое, имеющее осевой люфт.

При отсутствии осевого люфта (например, неразъемное соединение) для случая подачи среды на золотник или для верхнего уплотнения величины q_y10, q_y0 и Q_y0 не определяют. Формулу для Q(Q_в) при Q_y ≤ Q_cp заменяют формулой Q(Q_в) при Q_y > Q_cp.

Рисунок 1 - Схемы клапанов, буртов и уплотнений шпинделя

Рисунок 2 - Виды уплотнений затвора

3.4 Если клапан закрывают и открывают при перепаде давления ΔР, то при расчете величин q_y1 и Q_cp вместо давления Р принимают величину ΔР, а при расчете усилия Q_шп принимают величину P₁. Формулы для Q₀, М и М′ (подача среды на золотник) заменяют формулами из раздела «Усилия и моменты при наличии ΔР (подача среды на золотник)» приложения А.

Если при подаче среды на золотник клапан закрывают при давлении Р, а открывают - при перепаде давления ΔР и давлении над золотником в закрытом положении P₁ (ΔР ≤ P₁ ≤ Р), то формулу для Q₁′ и Q̃₁′ заменяют формулой, приведенной в том же разделе приложения А.

При определении усилий и моментов в открытом положении жесткостью сильфонов (типы I и II) пренебрегают.

3.5 Наружный и внутренний диаметры сильфона D_нар и D_вн (рисунок 1) принимают согласно стандартам или техническим условиям. Если приводят величину эффективной площади F_эф, то величины D_нар, D_вн и D_выт не определяют, а принимают F_шп = F_эф.

3.6 Для уравновешенного золотника (например, золотник в виде поршня с центральным отверстием) величину Q_cp принимают равной нулю (Q_cp = 0).

3.7 За средний диаметр бурта d_б принимают наименьший из средних диаметров касания верхнего и нижнего буртов соединительной муфты с опорами. Наиболее часто наименьшим является средний диаметр касания верхнего бурта.

За средний диаметр бурта d_бэ (при наличии электропривода) принимают средний диаметр касания бурта кулачковой втулки и опоры. При закрытии этот бурт воспринимает силу в шлицах (шпонке). При открытии сила трения в шлицах (шпонке) передается на бурт внутри электропривода и поэтому не учитывается при определении момента на выходе приводного вала.

Наиболее характерные типы буртов показаны на рисунке 1.

Коэффициент трения в бурте де без смазки: 0,15 - при сочетании материалов чугун-чугун и 0,3 - 0,4 - при сочетании материалов сталь-сталь.

3.8 Усилия Q_y, Q_y0 и Q_cp для расчета верхнего уплотнения определяют по формулам раздела «Основные усилия» приложения А. При этом в графе в виде дроби вписывают два значения соответствующих величин (геометрических размеров, коэффициентов, погонных нагрузок и усилий): в числителе - для основного уплотнения, в знаменателе - для верхнего уплотнения.

3.9 Если Q₁ ≤ 0 или Q₁′ ≤ 0, то величины M₁ или M₁′ не определяют и не учитывают при расчете величин М или М′.

3.10 При отсутствии шпонок (или других деталей, ограничивающих вращение штока и соединительной муфты) коэффициенты х = x₁ = x₁′ = x₁ = х₃′ = 1,0.

3.11 При отсутствии шпонки в штоке и наличии шпонки в муфте:

х = 1,0; x₂ = 1,1;

при Q̃₁ > 0 x₁ = 0,9;

при Q̃₁′ > 0 x₁′ = 1,1;

при Q̃₃′ > 0 х₃′ = 1,0;

при Q̃₁ ≤ 0 x₁ = 1,0;

при Q̃₁′ ≤ 0 x₁′ = 1,0;

при Q̃₃′ ≤ 0 х₃′ = 1,1.

3.12 При наличии шпонки в штоке, независимо от наличия шпонки в муфте:

х = x₂ = 1,1;

при Q̃₁ > 0 x₁ = 0,9;

при Q̃₁′ > 0 x₁′ = 1,1;

при Q̃₃′ > 0 х₃′ = 0,9;

при Q̃₁ ≤ 0 x₁ = 1,1;

при Q̃₁′ ≤ 0 x₁′ = 0,9;

при Q̃₃′ ≤ 0 х₃′ = 1,1.

3.13 Момент трения в пяте М_п между пятой штока и подпятником шпинделя в конечный момент закрытия приближенно принимают равным у·М_р. Рекомендуется у ≈ 0,15.

Формула для М_п имеет вид:

где d_п - диаметр площадки контакта.

Диаметр d_п определяют по формуле:

где R - приведенный радиус, R = R₁·R₂/(R₁ - R₂);

R₁ и R₂ - радиусы подпятника и пяты соответственно (для плоского подпятника R₁ = ∞, a R = R₂);

Е - приведенный модуль упругости, Е = 2E₁·E₂/(E₁ + E₂);

Е₁ и Е₂ - модули упругости подпятника и пяты соответственно (для стальных пяты и подпятника Е ≈ 2·10⁶ кгс/см²).

Формула для d_п справедлива, если величина d_п мала по сравнению с радиусом R₂.

3.14 Усилие трения в шпонках T_шп (или в других деталях, не допускающих вращение штока или соединительной муфты) учитываются коэффициентами x, x₁, x₁′, x₂, x₃′. Величины этих коэффициентов приведены в 3.11 и 3.12.

Усилие трения в шлицах Т_ш (в шпонке или в другой детали, передающей вращение от приводного вала к шпинделю при наличии электропривода) приближенно принимают равным 0,1 от усилия вдоль шпинделя.

Формулы для усилий в шпонках и шлицах имеют вид:

а) для шпонки, ограничивающей вращение штока при усилии Q_без, направленном вверх, усилие Т_шп определяют из уравнения:

где момент трения в пяте М_п определяется в зависимости от усилия Q_без + Т_шп или Q_без - Т_шп;

б) для шпонки, ограничивающей вращение штока при усилии Q_без, направленном вниз, а также шпонки, ограничивающей вращение соединительной муфты, усилие Т_шп определяют из уравнения:

в) для шлицов (шпонки), передающих вращение от приводного вала к шпинделю, усилие Т_ш определяют их уравнения:

где Q_без - усилие вдоль шпинделя без учета Т_шп или Т_ш;

М_без - крутящий момент на маховике (верхнем конце шпинделя) без учета усилия Т_ш;

R_шп - расстояние от оси шпинделя (штока) до поверхности трения;

μ_шп - коэффициент трения шпонки (шлицов).

Левые или правые формулы используются в зависимости от противоположности или совпадения направлений движения шпинделя (штока) и усилия Q_без.

3.15 Формулы и таблицы условных плеч моментов в резьбе L_p и L_p′ приведены в справочном приложении Б.

3.16 Исходные данные для расчета удельных нагрузок в уплотнении (коэффициенты m, с, k и q_y′) и расчетные формулы принимают по СТ ЦКБА 068 и СТ ЦКБА 086.

Предельно допустимые удельные нагрузки q_п принимают по СТ ЦКБА 068, для фторопласта-4 - по СТ ЦКБА 055.

Коэффициенты трения μ, μ_у, μ_п, μ_б и μ_бэ принимают по СТ ЦКБА 057 и СТ ЦКБА 060.

3.17 Силу трения в сальнике Т_с определяют по СТ ЦКБА 002, СТ ЦКБА 037 и СТ ЦКБА 034. Допускается определять Т_с по другим методикам.

3.18 Выбор маховика (рукоятки) проводят по СТ ЦКБА 072 по крутящему моменту М_кр^* (с округлением в большую сторону).

3.19 При расчете сверху в случае управления маховиком (рукояткой) крутящий момент М_кр принимают по СТ ЦКБА 072 равным максимальному моменту, развиваемому выбранным маховиком (рукояткой). Если выбранный маховик имеет диаметр D_м < D_м^*, Принимают М_кр = М_расч.

Если клапан управляется электроприводом, М_кр принимают равным максимальному моменту электропривода при настройке в сторону закрытия клапана.

3.20 При выполнении силового расчета на конкретное изделие рекомендуется пользоваться формой расчета в соответствии с приложением А, где приведены исходные данные и алгоритм расчета.

Приложение А

(рекомендуемое)

Форма силового расчета

Таблица А.1 - Форма силового расчета

Приложение Б

(справочное)

Условные плечи момента в резьбе

Б.1 Условные плечи момента в резьбе при закрытии L_p и в начале открытия L_p′ запорного элемента для шпинделей с трапецеидальной однозаходной и двузаходной резьбой по ГОСТ 9484 приведены в таблицах Б.1 и Б.2 и определяются по формулам:

где

d - наружный диаметр резьбы;

d_cp - средний диаметр резьбы;

α - угол подъема винтовой линии резьбы:

ρ - угол трения в резьбе: tgρ = μ,

где

μ - коэффициент трения в резьбе;

ρ′ - угол трения покоя в резьбе: tgρ′ = μ′,

где

μ′ - коэффициент трения покоя в резьбе: μ′ = 1,3·μ.

h - ход резьбы: h = t·n,

где

t - шаг резьбы;

n - число заходов в резьбе.

Таблица Б.1 - Условные плечи момента в резьбе при закрытии

Таблица Б.2 - Условные плечи момента в резьбе в начале открытия

 

Лист регистрации изменений