Конструирование сальникового уплотнения для шпинделя затвора трубопровода

ASSESSMENT OF STRUCTURAL RELIABILITY OF A MULTI-CHANNEL PART OF AUTOMATIC ROTOR LINES AT THE STAGE OF PROJECTION

E.AJadykin, V. V. Prejs

Problems of an assessment at the stage of projection of reliability of a multi-channel part of automatic rotor lines with various schemes of routeing of subjects the machining ensuring a select of rationalised frame of a multi-channel part on a reliability index (work capacity) of a line are considered.

Key words: a self-acting rotor line, a multi-channel part, the routeing theory, engineering diagnosing, reliability.

Jadykin Evgenie Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, the head of department, jadykin@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula state university,

Prejs Vladimir Viktorovich, doctor of technical science, professor, manager of chair, rabota-preys@yandex.ru, Russia, Tula, Tula state university

УДК 539.374, 621.646

КОНСТРУИРОВАНИЕ САЛЬНИКОВОГО УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ШПИНДЕЛЯ ЗАТВОРА ТРУБОПРОВОДА

И. В. Лопа, С.П. Судаков, А. И. Ефимова

Рассматриваются особенности и вопросы рационального проектирования сальникового уплотнения выдвижного шпинделя затвора трубопровода. Шпиндель рассматривается как шарнирно опертый стержень с промежуточной линейно -упругой опорой, имитирующей поддерживающее влияние сальникового уплотнения. Разработан метод учета сальника, связывающий его характеристики с параметрами устойчивости шпинделя. Предложены формулы для определения основных конструктивных характеристик сальникового уплотнения.

Ключевые слова: сальниковое уплотнение, сальник, выдвижной шпиндель, затвор трубопровода, устойчивость.

Затворы трубопроводов широко применяются в трубопроводном транспорте и предназначены для использования в качестве запорного устройства. Задвижки, как правило, состоят из корпуса, крышки с отверстием и сальниковой камерой, шпинделем и запорным органом. Одной из актуальных задач при проектировании затвора трубопровода является обоснованность выбора характеристик уплотнения для шпинделя - сальникового устройства.

Часто в качестве сальниковой набивки используют древесные опилки, а в средней части сальниковой камеры устанавливают мягкое кольцо, выполненное из джута [2]. При это, мягкое кольцо не оказывает существенного поддерживающего влияния при возможном изгибе шпинделя.

В работе [2] для исключения продольного изгиба шпинделя уплотни-тельное кольцо из цветного сплава размещают в сальниковой камере таким образом, что расстояние между точкой приложения сосредоточенной боковой нагрузки уплотнительного кольца и точкой приложения осевой сжимающей силы запорного органа, выбирается из диапазона 0,35...0,4 длины шпинделя, а коэффициент жесткости материала уплотнительного кольца сальника выбирается по зависимости

к * 6

г

р 2

2

р 2 Е - Р

I2 - Р

1

3

13 -1211

где Е - модуль упругости материала шпинделя; Е - осевой момент инерции сечения шпинделя; Р - осевая сжимающая нагрузка; 1 - длина шпинделя; 11 - расстояние между точкой приложения сосредоточенной боковой нагрузки уплотнительного кольца и точкой приложения осевой сжимающей силы запорного органа.

Недостатками данной конструкции является то, что в предложенном решении не обсуждаются вопросы, связанные с геометрическими параметрами уплотнительного кольца, в частности с его длиной вдоль оси шпинделя.

Целью данной работы является повышение надежности срабатывания затвора трубопроводной арматура при значительных нагрузках, в частности, шпинделя подвижного узла, а также повышения срока его службы за счет рационального выбора геометрических параметров уплотнительно-го кольца.

На рис.1 представлена сальниковая камера с уплотнением для шпинделя 1, содержащим сальниковую набивку 2 и уплотнительное кольцо 3, которые охватывают уплотняемый элемент - шпиндель 1. Кольцо 3 выполняют из цветного металла или сплава, и оно выполняет как роль уплотнителя, так и роль боковой опоры для шпинделя 1.

При быстром закрытии запорного органа, шпиндель испытывает значительные сжимающие осевые нагрузки и в результате чего может потерять продольную устойчивость. Уплотнительное кольцо 5 из цветного металла или сплава, расположенное в сальниковой набивке, будет являться дополнительной опорой, причем потери на трение при использовании цветного металла будут минимальны. Для определения рациональной длины уплотнительного (опорного) кольца 3, ниже приведены следующие расчеты.

Известно, что металлы на начальных участках нагружения сопротив-

ляются деформациям линейно упруго, тогда уравнение изогнутой линии шпинделя, потерявшего устойчивость (рис. 2) запишется так

EJlAzl = - РЛ2)+Ядг,

ёг

2

где Яд - реакция опоры;

1

11 1 1 1 — Л--12

Яа = к1—1 М -|)+Ш +1)-

где 12 - длина уплотнительного (опорного) кольца 3.

1 2

3

Рис. 1. Сальниковая камера с уплотнением для шпинделя

Рис. 2. Расчетная схема нагружения шпинделя

445

При интегрировании (1) используем метод последовательных приближений. В качестве первого приближения воспользуемся синусоидой Эйлера

Л( ^ = .

Подставляя (3) в правую часть (1) с учетом (2) получим обыкновенное дифференциальное уравнение, в котором правая часть является известной функцией от z

с У2 = _С0_ йг2 Е]

„ . pz ,

Р Б1П--+ z • к

1

1 -11 .

р

А / Л

11 - ^

Б1П

V ^ У

+

1 -11 -112 р 1 62

А 1 лл

а+12

1

Б1П

V ^ У

После последовательного интегрирования (4) получим

У2

_ Со

Е • ]

1Л 2

.р у

. pz z3 ,

эт--1--к

1 6

/ 7. Л

1 - 11 •

р

-эт-

V ¿У

2

+

1 -11 -112 р

1 6 2

1

-эт-

УJ

/ / лл 11+12 V 1 2 У

1

.

+ С^ + С2

Константы интегрирования определяются из граничных условий:

У2(0) = о => С2 = 0;

У2(1) = 0 =>

С1 = -112 к 1 6

' 1 -11 . ^1 -1У +1 -1 - 612 . "( 4 +12 ^

эт —-- +--5=1— эт- у

1

1

1

Из (2) с учетом (3) следует

ЯА = к

г г 1 \\ ь

1 -1

1

Р-

2

1 -11 - 612 ( +-6—б1П

1

р-

1

(11 +^Л

Заменяя в (6) выражение Яа из (7), получим

С1 =- 612 Яа ,

тогда второе приближение примет вид

Со

У2( z) =

Е]

Л 2

Я У

б1П — +1ЯА (z3 -12 z) 1 6 Ж 7

Для нахождения критической силы приравняем амплитуды первого и второго приближения в фиксированной точке, например, z = 11 и с учетом (7) получили

рр1

к2

1 -1

81П

У2

Л Г 1 лл

11 -12 1 2

=>

к

1

1

1 -1 - 6 12

+-6—в1п

1

к-

6в1п

к- 1)

х

Е - ]

Vх I1!

1211)

.

При помощи программы МЛТСЛО были построены зависимости критической силы от длины уплотнительного кольца для различных значений длин и диаметров шпинделей. Типичная зависимость для различных коэффициентов жесткости при длине шпинделя 1000 мм представлена на

рис. 3. Кривая 1 - при коэффициенте жесткости к = 10 н/м; кривая 2 - при 3 3

к = 2 х 10 н/м; кривая 3 -при к = 0,5 х 10 н/м.

Из рис. 3 можно сделать вывод, что оптимальной длиной уплотнительного кольца является длина 30...40 мм. Дальнейшее увеличение длины является нецелесообразным, так как приведет к повышению трения без существенного увеличения запаса по устойчивости шпинделя. Аналогичные результаты были получены и для других значений длин и диаметров шпинделей.

Р н

кр,-

1.275x1 (Г

1.15x10"

1.025x10"

9x10

2

3 >

10

20

30

40 /,

ММ

Рис. 3. Зависимость величины критической нагрузки от длины уплотнительного кольца

Таким образом, выбор уплотнительного кольца длиной вдоль оси шпинделя 3.4 % от длины самого шпинделя является наиболее благоприятным, так как шпиндель при этом выдерживает максимальное сжимающее усилие. Это, в свою очередь, повышает его эксплуатационные свойст-

1

2

ва, срок службы и число циклов «открытие-закрытие».

Следует отметить, что в результате использования простого технического приема положительный эффект достигается без усложнения конструкции, например, не путем введения дополнительных сложных конструктивных элементов, а только за счет рационального выбора параметров существующей конструкции.

Список литературы

1. Ефимова А.И., Панченко Е.В., Лопа И.В. Продольная устойчивость выдвижных шпинделей затворов трубопроводов с учетом поддерживающего влияния сальника // Известия ТулГУ. Технические науки». Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 2. С. 312 -318.

2. Патент РФ на полезную модель 144208 МПК F16K 3/02 Шиберная задвижка / А.И. Ефимова, И.В. Лопа, Е.В. Панченко, К. А. Туркин. Опубл. 10.08.2014. Бюл. №22.

Лопа Игорь Васильевич, д-р техн. наук, проф., pmdm@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Судаков Сергей Павлович, канд. техн. наук, доц., pmdm@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ефимова Анна Игоревна, канд. техн. наук, доц., pmdm@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DESIGN OF STUFFING - BOX FOR SPINDLE SHUTTER PIPELINE I. V. Lopa, S.P. Sudakov, A.I. Efimova

The peculiarities and problems of rational design of packing of a sliding spindle shutter pipeline. The spindle is considered as articulated flexibly bearing rod with intermediate linearly elastic support, simulates supportive gland seal. Developed a method of accounting gland, linking its characteristics with the parameters of stability of the spindle. Formulas for determination of the basic structural characteristics of packing.

Key words: stuffing - box, packing, a sliding spindle, shutter pipeline, stability

Lopa Igor Vasilevich, doctor of technical science, professor, pmdm@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Sudakov Sergey Pavlovich, candidate of technical science, docent, pmdm@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Efimova Anna Igorevna, candidate of technical science, docent, pmdm@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University