книги / Трубопроводная арматура

среды на диск или клин меньше усилия, необходимого для создания плотности. Закрытие задвижки производится с поджатием шпинделем клина для создания определенных удельных давлений. При низких давлениях задвижка не обладает достаточной плотностью и дает протечку. Плотность задвижки в этих условиях гарантируется лишь при достижении определенного давления. При меньших давлениях плотность не гарантируется.

Односторонняя гарантированная плотность в задвижке на всем диапазоне давлений от нуля до Ру обеспечивается тогда, когда действием шпинделя создают на уплотняющих кольцах задвижки удельные давления, достаточные для создания плотности, как при действии среды, так и при отсутствии среды.

При возникновении перепада давлений усилия на кольцах изменяются в связи с влиянием упругости элементов задвижки; при этом величина удельного давления на кольцах со стороны входа среды снижается, а со стороны выхода среды — повышается. Величина этих изменений зависит от соотношения упругости дисков и корпуса.

В результате действия среды, в этом случае, плотность обеспечивается в задвижке лишь на стороне выхода среды, и в полость корпуса и крышки может проходить среда.

Задвижки при односторонней гарантированной плотности должны закрываться путем применения ограниченного момента.

Двухст оронняя гарантированная плотность в задвижке на всем диапазоне давлений от нуля до Ру обеспечивается тем, что усилие, создаваемое на уплотняющих кольцах действием шпинделя при помощи распорного устройства, гарантирует плотность, как со стороны входа, так и со стороны выхода среды независимо от направления ее движения. Среда после перекрытия задвижки в полость корпуса и крышки не проходит.

Закрытие задвижек при двухсторонней гарантированной плотности должно производиться с ограничением момента.

Следует считать, что для задвижек наиболее надежным является последний метод уплотнения, т. е. обеспечение двухсторонней гарантированной плотности; однако для обеспечения таких условии требуется изготовление задвижек с особой тщательностью (точностью) и наличие очень жесткого корпуса, что значительно удорожает изготовление задвижек. Помимо этого для обеспечения двухсторонней плотности требуется применение больших усилий. В связи с этим обычно ограничиваются обеспечением односторонней гарантированной плотности, а для задвижек больших проходов обычно ограничиваются условиями самоуплотнения.

201

6.2 Силы, действующие на клин задвижки

При перемещении клина в задвижке необходимо преодолевать силы сопротивления, которые возникают, в основном, в связи с трением между деталями задвижки.

Силы трения в задвижке возникают между уплотняющими кольцами клина и корпуса, как со стороны выхода среды, так и со стороны входа. До соприкосновения клина с уплотняющими кольцами корпуса может действовать сила трения между клином и направляющими гребнями корпуса, которая создается как действием давления среды на клин, так и моментом на шпинделе, хотя влиянием последнего обычно пренебрегают.

Силы трения между направляющими клина и корпуса и между уплотняющими кольцами клина и корпуса одновременно действовать не могут, поэтому в расчете учитывается лишь одна из них.

В конце закрытия и в начале открытия задвижки, когда клин еще не коснулся уплотняющего кольца корпуса, при наличии перепада давлений может действовать сила гидравлического давления,

составляющая которого Qr помогает закрытию и противодействует

открытию. Схема действия силы Qr на клин показана на рис. 6.2 [28].

Рис. 6.2. Схема действия силы Qr на клин

Вес деталей Qc, подвешенных к шпинделю, обычно по сравнению

ссилами, действующими в задвижке, имеет незначительную величину

исущественного влияния на ее работу не оказывает далее в том случае,

202

горизонтальном расположении оси шпинделя вес этих деталей незначительно увеличивает силу трения между клином и корпусом. Часть момента, действующего на шпинделе, передаваемая на клин, вызывает изменения действия силы прижатия клина к корпусу, увеличивая удельное давление на одной стороне кольца и уменьшая его с другой стороны. Так как влияние этого фактора сказывается в пределах 2 — 4 %, при обычных расчетах задвижек он не учитывается.

При силовых расчетах задвижек не учитывается также и сила трения Тг — между головкой шпинделя и клином, которая также очень мало сказывается на величине усилия, необходимого для управления задвижкой.

Рассмотрим процесс закрытия и открытия клиновой задвижки и выявим силы, действующие на клин.

Перемещение клина при закрытии задвижки в потоке среды протекает следующим образом: клин, опускаясь вниз, постепенно перекрывает отверстие корпуса, вследствие чего увеличивается разность давлений по обе стороны клина, и последний встречает все

большее сопротивление увеличивающейся силы трения Ти между направляющими корпуса и клина.

В период, когда клин еще не коснулся уплотняющего кольца, он движется вертикально вниз вдоль направляющих. Сила давления среды Оср, направленная нормально к плоскости уплотняющего кольца, образует угол с направляющими клина, благодаря чему создается дополнительное усилие Qr, направленное в сторону движения клина и равное:

Клин при движении вниз коснется одного уплотняющего кольца и благодаря зазору между направляющими начнет двигаться вдоль плоскости уплотняющего кольца. В это время сила давления среды направлена нормально к плоскости движения и создает лишь силу Тк — силу трения между уплотняющими поверхностями. В дальнейшем, когда клин касается обоих уплотняющих колец, к действующим силам сопротивления прибавляется сила трения Тк1 во второй паре уплотняющих колец со стороны входа среды. Величина сил трения между уплотняющими поверхностями в этот момент зависит не только от силы действий давления среды Qcp, но и от усилия, которым шпиндель действует на клин Ог На рис. 6.3 представлены многоугольники сил, действующих на клин при закрытии задвижки.

203

Таким образом, при закрытии задвижки в потоке среды следует различать три периода движения клина:

1. Движение клина вниз вдоль направляющих с всё увеличивающимся перепадом давлений и увеличивающейся силой трения Тн между направляющим корпуса и клина; это будет происходить до соприкосновения клина с одним из колец корпуса, как показано на рис. 6.3, а.

2. Движение клина вдоль уплотняющей поверхности кольца корпуса при действии силы трения Тк между кольцами корпуса и клина. Сила трения Тн между направляющими корпуса и клина исчезла, так как появился зазор между ними как показано на рис. 6.3, б.

3. Движение клина вдоль направляющих между двумя уплотняющими поверхностями колец корпуса (процесс заклинивания) при действии сил трения Тк и Тк1 между обеими парами колец и при действии реакции кольца R со стороны выхода среды и реакции R, со стороны входа среды, как показано на рис. 6.3, в.

Рис. 6.3. Многоугольники сил, действующих на клин при закрытии задвижки:

Q, — усилие вдоль шпинделя, необходимое для перемещения клина, Н; Ос — вес подвижных деталей, Н

204

Силы трения имеют следующую величину:

|лк — коэффициент трения между уплотняющими кольцами.

При открытии задвижки подъем клина начинается скольжением его по уплотняющим кольцам корпуса. Основными силами сопротивления, действующего в этот момент, являются силы трения между уплотняющими кольцами (с учетом коэффициента трения покоя). При дальнейшем движении клина вверх вдоль уплотняющих колец в связи со смещением клина под действием усилия гидравлического давления среды Qcp выбирается зазор между направляющими клина и корпуса, после чего клин начинает двигаться вертикально вверх вдоль направляющих. С этого момента действует составляющая Qr силы гидравлического давления среды на клин (6.3), направленная в сторону, обратную движению клина, эта сила по мере подъема клина уменьшается в связи с уменьшением усилия Qcp.

Таким образом, и при открытии задвижки в потоке среды движение клина можно разделить на три периода. На рис. 6.4 представлены многоугольники сил, действующих на клин при открытии задвижки.

1.Расклинивание — когда клин выходит из соприкосновения с уплотняющими кольцами и движется вдоль направляющих вверх, как показано на рис. 6.4, а.

2.Скольжение вдоль одного из уплотняющих колец — когда клин отжимается в сторону давлением среды, что происходит до тех пор, пока не выбирается зазор между направляющими корпуса и клина, как показано на рис. 6.4, б.

3.Скольжение клина вверх вдоль направляющих, когда клин, прижимаемый потоком среды к направляющим, перемещается вертикально. Основной силой сопротивления движению клина в этот период является сила трения между направляющими, которая по мере подъема клина уменьшается, как показано на рис. 6.4, в.

205

Рис. 6.4. Многоугольники сил, действующих на клин при открытии задвижки

6.3 Расчет усилий, необходимых для перемещения клина при односторонней гарантированной плотности

В данном случае должно быть обеспечено плотное перекрытие задвижки для всего диапазона давлений от нуля до давления Ру только действием шпинделя без учета действия давления среды. Под действием давления среды может начаться пропуск среды во внутреннюю полость задвижки со стороны входа.

Закрытие задвижки

Расчетным является третий период закрытия, при котором в соответствии с заданными условиями на уплотняющих кольцах при отсутствии среды нужно действием шпинделя создать усилие QyI необходимое для обеспечения плотности.

Из многоугольника сил на рис. 6.3, в, с учетом Qc{) = 0, получаем

206

или

При закрывании задвижки в потоке среды необходимо усилие:

ИЛИ

Qj = 2 • R • sincp • (l + pR/tgq>J- Qcp • sincp• [l + (tg • (pR + <p)J/ tgtpj- QQ , (6.7)

которое определено нами ранее из условия совместного действия шпинделя и среды. В рассматриваемых условиях мы должны обеспечить уплотнение на кольцах даже тогда, когда в закрытой задвижке действие среды будет мало, т. е. Qcp~ 0.

Для того чтобы выяснить, какими условиями следует задаваться при расчете задвижки в данном случае, рассмотрим действие сил в закрытой задвижке при выключенном приводе.

Представим себе задвижку, закрытую во время движения потока среды, на клин которой действует усилие шпинделя Q,. Если давление среды будет снижаться, то сила трения между кольцами уменьшится, и клин под действием усилия Q,, передаваемого шпинделем, благодаря действию сил упругости может перемещаться вперед (вниз). Усилие шпинделя Q, будет уменьшаться, а реакции R и R, по мере перемещения шпинделя вниз будут увеличиваться. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не наступит новое равновесие сил при меньшем значении силы Q,. Величину перемещения клина и усилия на шпинделе и кольцах можно определить с учетом жесткости корпуса клина и шпинделя с помощью приведенных ранее формул.

Следует заметить, что даже и тогда, когда действие усилия О,

прекратится, плотность задвижки может не нарушиться в связи с тем, I

что угол (р невелик и tgq> < (.iR, поэтому клин и корпус образуют

самотормозящуюся пару. В этом случае при действующих силах, приведенных на рис. 6.5, многоугольник сил будет иметь вид, показанный на рис. 6.6 [23,24,28,29].

207

Рис. 6.5. Схема действия сил на клин при поджатии клина шпинделем

Рис. 6.6. Многоугольник сил, действующих на клин в закрытой задвижке при наличии давления среды во внутренней полости

Силы tKи tK, имеют величину, необходимую для предотвращения движения клина вверх под действием реакции R и Rt и, таким образом,

являются лишь частью сил Тк и Тк1 Из многоугольника сил, представленного на рисунке 6.5, видно, что

при Qcp= 0 реакции R и R, равны, т. е. R =R r

Для обеспечения плотного перекрытия задвижки необходимо при

208

При закрытии задвижки в потоке среды для создания

гарантированной плотности расчет Q, следует вести исходя из условий

R= Qcp + Qy и Rj = QyI тогда из многоугольника сил, показанного на рис. 6.3, в, получаем:

° 1 = 2 • (Ъ у +° Ср) • ( т +ик )•C0S(P - QcpC0S(P • у р к +ф)+ tgq»]- Qc (6-9)

ИЛИ

°1 = 2 { ° у + Qcp)-(l + ^K/tg(p)-Qcpsincp-[l + (tg(p(pK+(p))/tgcp]-Qc (6.10)

Открытие задвижки

Усилие, необходимое для подъема клина в начальный момент его движения, когда он еще соприкасается с обоими уплотняющими кольцами, имеет величину согласно многоугольнику сил на рис. 6.4, а:

Если открытие происходит без потока среды после закрывания,

также выполненного без потока среды, то, принимая Qcp= 0 и R =Q y, получаем:

ИЛИ

Если открытие происходит в потоке среды после закрывания, также выполненного в потоке среды, то, принимая R = Qy + Qcp, имеем:

°1 = 2 ‘ (Q y + Qcp )' (^к ~ tg(p)‘C0S(p ~ QcpC0S(p' [tg(p«c “ ф)“ tg(p]+ ° с {6,14)

209

или

Qj =2• (Qy + Оср] • (цк/ tgcp+ l)- sinq)- Qcpsincp• tg(pK - (p^/tgcp-1 + Q r (6.15)

Эта формула принимается в качестве расчетной. Она применима и для случая, когда открытие происходит без среды после закрытия, выполненного в потоке среды. Когда произойдет падение давления, то благодаря упругости корпуса сила взаимодействия колец корпуса и клина (при упругом корпусе) сохранится. При жестком корпусе величина Q,' снизится. Это относится как к работе задвижек при односторонней, так и двусторонней гарантированной плотности.

Если открытие происходит в потоке среды после закрытия, выполненного с произвольной силой Q,, без потока среды, то усилие, необходимое для подъема клина в начальный момент движения,

6.4 Моменты на маховике, необходимые для управления задвижками

При управлении задвижкой момент на маховике изменяется в зависимости от сил сопротивления, которые возникают при движении клина и шпинделя.

Закрытие клиновой задвижки

Считая, что закрытие происходит таким образом, что клин движется непрерывно, получаем наибольшее усилие вдоль шпинделя и соответствующий ему наибольший крутящий момент на маховике в конце закрывания.

В задвижках с выдвижным шпинделем (не вращаемым) наибольшее усилие вдоль шпинделя:

210