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

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

СТАНДАРТ ЦКБА

СТ ЦКБА 119-2018

Арматура трубопроводная

КЛАПАНЫ ЗАПОРНЫЕ САЛЬНИКОВЫЕ С ВВИНЧИВАЕМЫМ
ШПИНДЕЛЕМ (ЗОЛОТНИК И ШПИНДЕЛЬ СОЕДИНЕНЫ ЖЕСТКО)

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 16.02.2018 № 12

3 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

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

СОДЕРЖАНИЕ

СТ ЦКБА 119-2018

Дата введения: 01.05.2018

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на силовые расчеты запорных сальниковых клапанов с ввинчиваемым шпинделем (золотник и шпиндель соединены жестко).

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 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_р1′ - 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_с - момент силы трения в сальнике;

Q_в и M_в - усилие по шпинделю и крутящий момент на маховике при создании верхнего уплотнения;

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

Q_ом - максимально возможное усилие при расчете сверху;

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

q_n - предельно допустимая удельная нагрузка в уплотнении.

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.

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

D_cp - средний диаметр уплотнения;

b - ширина уплотнения;

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_ув′ - моменты в резьбе и в уплотнении при создании верхнего уплотнения;

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

М₀ и М₀′ - крутящие моменты на маховике в начальный момент закрытия и конечный момент открытия;

M₁ и М₁′ - крутящие моменты на маховике (подача среды на золотник) при подходе золотника к седлу при закрытии и отрыве золотника от седла при открытии;

M₂ и М₂′ - крутящие моменты на маховике (подача среды на золотник) в конечный момент закрытия и начальный момент открытия;

М_расч - расчетный крутящий момент на маховике;

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

М_кр - крутящий момент, развиваемый выбранным маховиком или электроприводом;

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

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

Q_y - усилие, необходимое для уплотнения;

Q_ом1 - максимальное усилие вдоль шпинделя при закрытии без среды;

Q_ум - максимально возможное усилие уплотнения при расчете сверху;

Q₂ и Q₃ - вспомогательные усилия при расчете сверху;

Т_с - сила трения в сальнике;

l - длина линии уплотнения;

q_у - погонная нагрузка, необходимая для уплотнения;

q_у1, q_у2, q_у′ - погонные нагрузки при расчете q_y;

L_y - условное плечо момента трения в уплотнении;

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

d_ср - средний диаметр резьбы шпинделя;

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

D_м - диаметр маховика по чертежу;

μ_у - коэффициент трения в уплотнении;

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

m - коэффициент, учитывающий вид среды;

c и k - коэффициенты, зависящие от материала уплотнения;

γ - угол подъема винтовой линии на конической поверхности;

λ - коэффициент, учитывающий угол наклона β угол подъема γ и трение в уплотнении

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:

направление подачи среды (под золотник или на золотник);

вид уплотнения - 1 или 2 (рисунок 1);

материал уплотнения, шпинделя, резьбовой втулки;

вид рабочей среды;

расположение маховика;

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

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

величины давлений: Р, ΔР, P₁.

Рисунок 1 - Виды уплотнений затвора

Рисунок 2 - Схемы клапанов

3.3 Указанная на рисунке 2 схема клапана распространяется на клапаны с различными конструкциями корпуса (проходные, угловые, прямоточные).

Соединение золотника со шпинделем - любое жесткое, не имеющее осевого люфта и не допускающее взаимного вращения (золотник может быть выполнен за одно целое со шпинделем, неразъемное соединение и т.д.).

3.4 Если клапан закрывают и открывают при перепаде давления ΔР, то при расчете величин q_y1 и Q_ср вместо давления Р принимают ΔР, а при расчете усилия Q_шп принимают величину P₁ - давление над золотником в закрытом положении. 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 ≤ Р₁ ≤ Р), то формулу для Q₁′ заменяют формулой, приведенной в том же разделе приложения А.

3.5 При упрощенном расчете принимают: sinγ = 0; cosγ = 1; λ = sinβ.

3.6 Величины Q_y и L_y 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.

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

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

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

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

Коэффициенты трения μ и μ_у принимают по СТ ЦКБА 057 и СТ ЦКБА 060.

3.10 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.

3.11 Выбор маховика (рукоятки) производят по СТ ЦКБА 072 по крутящему моменту М_кр^* (с округлением в бо́льшую сторону).

3.12 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.

3.13 При расчете крутящих моментов М и М′ трение в соединении шпинделя со втулкой электропривода не учитывают.

3.14 При выполнении силового расчета на конкретное изделие рекомендуется пользоваться формой расчета, указанной в приложении 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