Расчет конструкции задвижки

 

 СОДЕРЖАНИЕ.

Введение

1. Анализ существующих  конструкций задвижек

2. Расчет конструкции задвижек

Задачи расчёта

1. Исходные данные

2. Выбор материала основных деталей  и определение расчётных данных

3. Описание конструкции

4. Расчётная схема

5. Силовой расчёт задвижки

5.1. Определение крутящего момента  и усилия на маховике необходимого  для закрытия задвижки

5.2. Определение крутящего момента  и усилия на маховике необходимого  для открытия задвижки

6. Выбор типа электропривода

7. Выбор исполнения уплотнительной поверхности материала фланца

8. Прочностной расчёт

8.1. Прочностной расчёт корпуса

8.2. Прочностной расчёт сечения  шпинделя

 

Введение

 

Трубопроводной арматурой  оснащаются многие установки и агрегаты в химической, нефтедобывающей и  нефтеперерабатывающей промышленности, в металлургии и энергетике. Большое количество арматуры используется в судостроении, холодильной промышленности, жилищном и промышленном строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Быстрое развитие техники  вызывает необходимость разработки и изготовления большого количества различных конструкций арматуры для самых разнообразных условий работы. Диапазоны температур, давлений, вязкостей и других свойств применяемых различных сред, в которых работает арматура, непрерывно расширяются, поэтому число проблем, с которыми сталкивается конструктор, несмотря на большое количество выполняемых экспериментальных и теоретических разработок, все время возрастает.

Конструктору приходится решать различные задачи из многих областей: механики, гидравлики, трения и износа, эрозии, коррозии, прочности и жесткости деталей, влияния температурных воздействий и т. д. Он должен прежде всего учитывать условия работы арматуры и обеспечить надежность и долговечность работы конструкции, а также ее технологичность и возможность изготовления с малыми затратами.

Существует большое  количество видов трубопроводной арматуры, наиболее распространенным из которых  по количеству применяемых единиц является запорная арматура.

В арматуре применяются  следующие запорные устройства:

- проходные  пробковые краны типа КППС  с уплотнительной смазкой;

- прямоточные  задвижки с однопластинчатым (типа  ЗМС1) и двухпластинчатым (типа ЗМАД) шиберным затвором с принудительной или автоматической подачей смазки;

- задвижки  клиновые;

- вентили.

 

Задвижки имеют большое  распространение и применяются  обычно для трубопроводов от Dy=50 до Dy=2000мм. В диапазонах размеров, выходящих  за эти пределы, применение задвижек ограничено.

В сравнении с другими  видами запорной арматуры ряд преимуществ  имеют задвижки. Положительными качествами задвижки являются сравнительная простота конструкции незначительное гидравлическое сопротивление при полностью открытом проходе, простота обслуживания, возможность подачи сырья в любом направлении и др.

Малое гидравлическое сопротивление задвижек делает их особенно ценными, например, для трубопроводов, через которые постоянно движется среда с большой скоростью, в частности для трубопроводов большого диаметра.

1. Анализ существующих конструкций задвижек

 

Задвижками  называются запорные устройства, в которых проходное сечение перекрывается поступательным перемещением затвора в направлении, перпендикулярном направлению движения нефти. Конструктивно (рисунок 3) клиновая задвижка представляет собой цельный литой или сварной корпус, снабжённый двумя патрубками для присоединения к трубопроводу (с помощью фланцев или сварки) и шпиндель, соединённый с запорным элементом и управляемый с помощью маховика или специального привода. Место выхода шпинделя из корпуса герметизируется с помощью сальникового уплотнения.

Рисунок 2. Схемы затворов клиновой и параллельной  задвижек

 

По конструкции  уплотнительного затвора и 2).расположению уплотняющих колец задвижки можно разделить на две группы (рисунок 2):

1. Клиновые задвижки, уплотняющие кольца которых расположены под углом и образуют клин. К этому типу относятся задвижки с цельным жестким клином, с цельным упругим или составным клином, образованным двумя дисками .

2. Параллельные задвижки, уплотняющие кольца которых расположены  параллельно друг другу (рис. 14). Задвижка параллельная может быть шиберной (однодисковой) или двухдисковой.

Величина угла при  вершине клина (2φ) оказывает важное влияние на эксплуатационные свойства задвижек. При малых углах уменьшается величина усилия, необходимого для закрывания задвижки, но увеличивается вероятность заклинивания клина в корпусе при деформациях трубопровода, вызываемых колебаниями температуры.

Обычно при t раб < 120° С применяют клинья с уклоном 1 : 20 (φ =2°52'), а при t раб > 120° C c уклоном 1: 12 (φ =5°).

Во избежание защемления клина в корпусе необходимо, чтобы клин не был caмотормозящим; это выполнимо при условии µ < tg φ, где µ - коэффициент трения.

В параллельных задвижках  угол распорного клина имеет величину порядка (φ =20°). Такие значения  φ обеспечивают отсутствие самоторможения клина (при хорошей чистоте поверхностей клина и дисков).

 

1.1 Конструкция клиновой задвижки

Рисунок 3. Задвижка 30с76нж

 

Клиновые  задвижки (типа 30с76нж) с ручным управлением (рисунок 3), с условным проходом 50, 80, 100, 150 мм, рассчитанные на рабочее давление 21 и 35 МПа, состоят из:

• корпуса;
• крышки с прокладкой, обеспечивающей герметичность фланцевого соединения с корпусом;
• клина, обеспечивающего герметичное перекрытие проходного сечения корпуса и выполненного в виде упругого клина (два диска соединены сваркой) или цельнолитого клина;
• стойки, соединённой с крышкой сваркой или при помощи болтов (шпилек) - бугеля;
• шпинделя;
• сальника, состоящего из набивочных колец, втулки, фланца сальника и откидных болтов или шпилек, обеспечивающих поджатие сальника;
• кулачковой втулки;
• резьбовых втулок;
• упорной гайки;
• подшипника.

Задвижки  выполняются с выдвижным и  не выдвижным шпинделем. Задвижки с выдвижным шпинделем имеют верхнее уплотнение, позволяющее производить разгрузку сальника при полностью открытом затворе.

 

Рис.    Задвижка с клиновым затвором серии GW Компании Petrochemical Solutions –выпускаемой под товарным знаком Petrosol	Стандартная спецификация материалов задвижки серии GW

1.2 Конструкция прямоточной шиберной задвижки типа ЗМС1

Рисунок 4. Прямоточная шиберная задвижка типа ЗМС1

1 – корпус; 2 – щека; 3 – шпиндель; 4 – заправочный  клапан сальника; 5 – осевая опора  и гайка шпинделя; 6 – маховик; 7 – ограничитель хода шпинделя; 8 – головка маховика; 9 – корпус опоры и гайка шпинделя; 10 – клапан для подачи смазки к подшипникам; 11 – подшипники опоры шпинделя; 12 – уплотнения шпинделя; 13 – корпус сальника; 14 – плавающая пробка; 15 – кольцевая канавка в щеке; 16 – кольцевая канавка в шибере; 17 – уравновешивающий шток шпинделя.

 

Герметичность затвора задвижек типа ЗМС1 обеспечивается созданием необходимого удельного давления на уплотняющих поверхностях шибера и сёдел. Предварительное удельное давление создаётся тарельчатыми пружинами. Герметичности затвора способствует уплотнительная смазка ЛЗ-16Г или «Арматор-238», которая подаётся через нагнетательный клапан. Герметичность между корпусом и крышкой обеспечивается установкой металлической прокладки и затяжкой болтов (шпилек) гайками. Соосность проходных отверстий шибера регулируется регулировочными гайками.

Для облечения управления задвижкой опоры ходовой части  выполнены на опорных шарикоподшипниках, а задвижки с условным проходом 80, 100 и 150 мм, имеют уравновешивающий шток.

 

2. Расчёт конструкции задвижек

 

Задачи расчёта

1. Определение усилий  моментов для управления задвижкой.

2. Получение исходных  данных для расчёта на прочность.

 Величинами подлежащих  определению при силовом расчёте  являются: усилия вдоль шпинделя  и моменты в резьбе при открывании и закрывании задвижки, а также крутящие моменты и усилия на моховике.

3. Определение типа  привода для задвижки.

4. Выбор исполнения  уплотнительной поверхности

 материала фланца.

5. Прочностной расчёт  корпуса задвижки и сечения  шпинделя

 

2. Выбор материала основных деталей  и определение расчётных данных

3. Описание конструкции

4. Расчётная схема

5. Силовой расчёт задвижки

5.1. Определение крутящего момента  и усилия на маховике необходимого  для закрытия задвижки

5.2. Определение крутящего момента и усилия на маховике необходимого для открытия задвижки

 

2.1 Выбор исходных параметров

 

Прежде чем  проводить расчёт запорных устройств  фонтанной арматуры, в нашем случае задвижки, необходимо задаться исходными параметрами.

р – условное давление, принимаем равным 35 МПа;

D_в – внутренний диаметр уплотнительного кольца, принимаем равным 104 мм;

D_н – наружный диаметр уплотнительного кольца, принимаем равным 124 мм;

b – ширина уплотнительного кольца, принимаем равной 10 мм;

h – высота сальника, принимаем равной 8,4 мм;

R_с – средний радиус опорного заплечика втулки или радиус до центра шариков подшипника, принимаем равным 38 мм;

r_с – средний радиус резьбы, принимаем равным 13,03 мм;

 

 

2.2 Расчёт клиновой задвижки с выдвижным шпинделем

 

Расчетная схема

 

Рисунок 5. Схема сил действующих на клин

 

Наибольшее осевое усилие на шпинделе возникает в момент закрытия задвижки, когда на клин со стороны входа среды действуют следующие силы (рисунок 5).

Сила гидростатического  давления среды:

 

;

 

, где    р – условное давление;

D_в – внутренний диаметр уплотнительного кольца;

b – ширина уплотнительного кольца;

Подставим исходные данные и получим:

 

.

 

Реакция N₁ уплотнительной поверхности корпуса со стороны входа среды, которую рассчитывают по обеспечивающей герметичность удельной нагрузке на уплотнительной поверхности:

;

 

 где    D_н – наружный диаметр уплотнительного кольца;

 

q примем равной

 

.

 

Сила трения:

;

 

, где    f – коэффициент трения на уплотнительной поверхности (примем f=0,15);

 

.

В момент закрытия клин прижимается  к уплотнительной поверхности со стороны входа среды под действием сил Р, N₁ , F₁ и на уплотнительной поверхности со стороны выхода среды возникают реакция N₂ и сила трения , действующие на клин. На клин также действуют сила давления шпинделя Q и сила тяжести G, направленные по оси y – y.

Из условия равенства  нулю суммы проекций на ось x – x всех сил, действующих на клин,

 

;

 

можно определить силу

;

 

Принимают α = 5⁰, поэтому, учитывая малую величину sinα, полагают

 

;

Подставим имеющиеся  значения

.

 

Усилие Q_к, которое нужно приложить к оси шпинделя для преодоления сил, действующих на клин (усилие на шпинделе, передаваемое от затвора), определяют из условия равенства нулю суммы проекций на ось y – y всех сил, действующих на клин:

 

;

Учитывая, что  , получаем:

 

;

 

или при α = 5⁰ и f = 0,15

;

 

Так как G мы измерить не можем, то принимаем её равной 394,94 Н, тогда:

.

 

 

Усилие на шпинделе, необходимое  для преодоления сил трения в сальниковом уплотнении, равно:

;

 

где    d_ш – диаметр шпинделя, d_ш = 32 мм;

h – высота сальника h = 8,4 мм;

 f = 0,1 – коэффициент трения;

.

 

Усилие на шпинделе от внутреннего давления на торец шпинделя (для преодоления поршневого эффекта) :

;