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

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

СТАНДАРТ ЦКБА

CT ЦКБА 120-2018

Арматура трубопроводная

КЛАПАНЫ ЗАПОРНЫЕ СИЛЬФОННЫЕ И САЛЬНИКОВЫЕ
С НЕВРАЩАЕМЫМ ШПИНДЕЛЕМ

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)

СТАНДАРТ ЦКБА

Арматура трубопроводная КЛАПАНЫ ЗАПОРНЫЕ СИЛЬФОННЫЕ И САЛЬНИКОВЫЕ С НЕВРАЩАЕМЫМ ШПИНДЕЛЕМ Методика силового расчета

Дата введения: 01.12.2018

1 Область применения

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

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 Q'₁ - 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 M'_p1 - моменты в резьбе (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии соответственно;

М_б и М'_б - моменты трения в уплотнении в конечный момент закрытия и начальный момент открытия соответственно;

М_б1 и М'_б1 - моменты трения в бурте (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_oм - 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.

2.3 В настоящем стандарте использованы следующие обозначения исходных данных:

P - расчетное давление;

ΔР - перепад давления, при котором производится закрытие или открытие клапана (без разгрузочного золотника);

ΔР_о - перепад давления, при котором производится открытие клапана (подача среды на золотник при разгрузочном золотнике;

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.

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

D_сp - средний диаметр уплотнения;

b - ширина уплотнения (рисунок 2);

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'_cp - 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 M'₁ - 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 М'₂ - 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_cp.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_oм1 - максимальное усилие вдоль шпинделя при закрытии без среды;

Q_ум - максимально возможное усилие уплотнения при расчете сверху;

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

Q₃ и Q'₃ - усилия вдоль шпинделя в начальный момент закрытия и конечный момент открытия соответственно;

Q_ст - осевая статическая нагрузка для подшипника;

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

Т_с - 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_y0;

L_y - условное плечо момента трения в уплотнении;

L, L'_p, L"_p - условные плечи момента в резьбе шпинделя;

d_ср - средний диаметр резьбы шпинделя;

d_б, d_б1 - 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_б1 - 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, x'₁, x'₃ - коэффициенты, учитывающие трение в шпонке или в другой детали, не допускающей вращение шпинделя;

μ_y - коэффициент трения в уплотнении;

μ_б и μ_б1 - коэффициент трения в бурте;

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

m - коэффициент, учитывающий вид среды;

c и k - коэффициенты, зависящие от материала уплотнения.

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:

qум ≤ qп.

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, опор бурта, набивки;

- 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);

- обозначение и размеры подшипника;

- величины давлений: Р, ΔР, P₁.

Величины, отмеченные в форме расчета приложения А знаком «-», относятся к разгрузочному золотнику; знаком «~» отмечены величины без учета коэффициентов x, x₁, x'₁, x'₃.

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_сp 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 (без разгрузочного золотника) 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 без разгрузочного золотника (подача среды на золотник)» приложения А.

Если при подаче среды на золотник клапан (без разгрузочного золотника) закрывают при давлении Р, а открывают - при перепаде давления ΔР и давлении над золотником в закрытом положении P₁ (ΔР ≤ P₁ ≤ Р), то формулу для Q'₁ и  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 При наличии разгрузочного золотника (подача среды на золотник) при расчете величин Q₀, М_р, М'_р, М_б и М'_б вместо усилия Q вводят усилие , приведенное в разделе «Усилия и моменты для разгрузочного золотника» приложения А. Формулы для , и М' заменяют формулами, приведенными в том же разделе приложения А.

3.7 Для клапанов без шарикоподшипников:

- d_б - средний диаметр касания верхней части бурта и опоры;

- d_б1 - средний диаметр касания нижней части бурта и опоры (или средний диаметр касания маховика и крышки.

Наиболее характерные типы буртов показаны на рисунке 1.

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

3.8 Для клапанов с шарикоподшипниками:

- d_б = d_б1 - средний диаметр шарикоподшипника;

- μ_б = μ_б1 = 0,01.

3.9 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.

3.10 Если Q₁ ≤ 0 или Q'₁ ≤ 0, то величины M₁ или M'₁ не определяют и не учитывают при расчете величин М или М'.

3.11 При расчете сверху нижние формулы для Q_ом и Q_ум соответствуют закрытию без среды с последующей подачей среды.

3.12 Усилие трения в шпонке Т_шп (или в другой детали, не допускающей вращение шпинделя) учитывается коэффициентами x, x₁, x'₁, x'₃.

Рекомендуется х ≈ 1,1.

Формула для усилия Т_шп в зависимости от противоположности или совпадения направлений движения шпинделя и усилия Q_без имеет вид:

где Q_без - усилие вдоль шпинделя без учета Т_шп;

R - расстояние от оси шпинделя до поверхности трения;

μ_шп - коэффициент трения шпонки.

3.13 Формулы и таблицы условных плеч моментов в резьбе L_p и L'_p приведены в справочном приложении Б.

3.14 Исходные данные для расчета удельных нагрузок в уплотнении (коэффициенты т, 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_б и μ_б1 принимают по СТ ЦКБА 057 и СТ ЦКБА 060.

3.15 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.

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

3.17 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.

3.18 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_сp - 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;

п - 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

 

Генеральный директор АО «НПФ «ЦКБА»	________________	С.М. Алексеев
Директор по научной и экспертной работе	________________	Ю.И. Тарасьев
Главный конструктор	________________	В.П. Лавреженкова
Начальник отдела технических расчетов	________________	А.А. Чертенков
Начальник технического отдела	________________	Т.Н. Венедиктова
Исполнитель
Ведущий инженер-конструктор	________________	Н.Ю. Цыганкова
СОГЛАСОВАНО
Председатель ТК 259	________________	М.И. Власов

Лист регистрации изменений

СОДЕРЖАНИЕ