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

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

СТАНДАРТ ЦКБА

СТ ЦКБА 118-2018

Арматура трубопроводная

КЛАПАНЫ ЗАПОРНЫЕ САЛЬНИКОВЫЕ
С ВВИНЧИВАЕМЫМ ШПИНДЕЛЕМ (ЗОЛОТНИК И
ШПИНДЕЛЬ СОЕДИНЕНЫ НЕ 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 118-2018

Дата введения: 01.05.2018

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на силовые расчеты запорных сальниковых клапанов с ввинчиваемым шпинделем (золотник и шпиндель соединены не 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_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;

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 вдоль шпинделя 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;

ΔР₀ - 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.

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

D_cp - средний диаметр уплотнения;

b - ширина уплотнения (рисунок 1);

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 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 (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_ом1 - максимальное усилие вдоль шпинделя при закрытии без среды;

О_ум - максимально возможное усилие уплотнения при расчете сверху;

Q₂ - усилие вдоль шпинделя при уплотнении разгрузочного золотника при отсутствии перепада давлений;

Т_с - сила трения в сальнике;

l - длина линии уплотнения;

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

q_у и q_у0 - погонные нагрузки, необходимые для уплотнения при давлении Р и при Р → 0 соответственно;

q_у1, q_у2, q_у′ и q_у10 - погонные нагрузки при расчете q_у и q_у0;

L_y - условное плечо момента трения в уплотнении;

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

d_cp - средний диаметр резьбы шпинделя;

d_б - средний диаметр касания бурта шпинделя и золотника (рисунок 2);

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

L_б - условное плечо момента трения в бурте;

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

D_м - диаметр маховика по чертежу;

μ_у - коэффициент трения в уплотнении;

μ_б - коэффициент трения в бурте;

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

m - коэффициент, учитывающий вид среды;

с 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:

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 золотника;

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

- величины давлений: Р, ΔР, P₁.

Величины, отмеченные в форме расчета приложения А знаком «-», относятся к разгрузочному золотнику.

Рисунок 1 - Виды уплотнений затвора

Рисунок 2 - Схемы клапанов

3.3 Приведенные на рисунке 2 схемы клапанов распространяются на клапаны с различными конструкциями корпуса (проходные, угловые, со смещенными патрубками, прямоточные).

Соединение золотника со шпинделем - любое, имеющее осевой люфт и допускающее взаимное вращение.

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 - 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 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 (ΔP ≤ Р₁ ≤ P), то формулы для Q₁′ и М_б1′ заменяют формулами, приведенными в том же разделе приложения А.

3.5 При наличии разгрузочного золотника (подача среды на золотник) при расчете величин Q₀, М_р и М_р′ вместо усилия Q вводят усилие , приведенное в разделе «Усилия и моменты для разгрузочного золотника» приложения А. Формулы для Q₁′, M_б1′ и М′ заменяют формулами, приведенными в том же разделе приложения А.

3.6 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.

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

3.8 Моментом трения в пяте М_п между шпинделем и золотником (подпятником) в конечный момент закрытия пренебрегают ввиду его малости.

Формула М_п имеет вид:

где R - радиус головки шпинделя (для случая «давление среды на золотник» величину Q заменяют на Q - Q_шп);

Е - приведенный модуль упругости материалов шпинделя (E₁) и золотника или подпятника (Е₂), .

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

3.10 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_n принимают по СТ ЦКБА 068, для фторопласта-4 - по СТ ЦКБА 055.

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

3.11 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.

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

3.13 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.

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

3.15 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_р′ 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′ = 1,3μ.

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