ШИБЕРНАЯ ЗАДВИЖКА

Предлагаемое техническое решение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для использования в качестве запорного устройства.
Устройствами-аналогами являются задвижки, состоящие из корпуса, крышки с отверстием и сальниковой камерой, шпинделем и запорным органом. Причем шпиндель выполняют двух видов: выдвижной - с резьбой в верхней части, связанной с гайкой привода или вращаемый - с резьбой в нижней части, связанной с гайкой, заложенной в запорный орган (Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков "Справочник конструктора трубопроводной арматуры" - Л.: Машиностроение, 1987 г., с.108).
Недостатками этих устройств является невозможность обеспечения двухскоростного режима опускания шпинделя: быстро - медленно, что обеспечивает меньшую нагрузку на элементы трубопроводной арматуры и, как следствие, наиболее эффективную, безопасную и надежную работу затвора.
Устройство-прототип (RU2020347, МКП 5 F16K 3/02, 1994) содержит верхний корпус задвижки с крышкой, гайку шариковинтовой передачи и подшипниковый узел в виде одного упорного подшипника, при этом обоймы упорного шарикоподшипника установлены с осевым зазором относительно верхнего корпуса задвижки и крышки, обе обоймы упорного шарикоподшипника установлены с радиальными зазорами относительно гайки шариковинтовой передачи и верхнего корпуса задвижки, а размеры осевого и радиальных зазоров приняты с возможностью обеспечения свободного вращения поочередно любой из обойм упорного шарикоподшипника. Выбор осевых зазоров при работе задвижки позволяет при достаточно простой конструкции задвижки обеспечить сравнительно легкий режим нагрузок на опорные узлы механизма, в том числе уменьшить осевые нагрузки на шпиндель.
Основным недостатком данного устройства является невозможность получения двухскоростного режима опускания задвижки и как следствие резкого снижения нагрузки на элементы арматуры.
Задачей технического решения является повышение надежности и безаварийности трубопроводного транспорта за счет быстрого перекрытия аварийной части трубопровода без гидравлического удара или перепада давления, способного разрушить безаварийную часть трубопровода.
Поставленная задача достигается тем, что в шиберной задвижке, содержащей верхний корпус, крышку с отверстием, гайку винтовой передачи приводного механизма, шпиндель и запорный орган, расположенный в нижнем корпусе, шпиндель задвижки имеет резьбы, в верхней части, контактирующей с гайкой винтовой передачи приводного механизма, в нижней, контактирующей с гайкой, заложенной в запорный орган, в верхней части резьбы шпинделя расположена стопорная шайба, длина верхней части резьбы равна половине диаметра прохода трубопровода, резьба нижней части шпинделя многозаходная, длина нижней части резьбы равна 1,1 длины верхней части резьбы.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где представлена конструкция предлагаемого устройства.
Шиберная задвижка содержит верхний корпус 1, крышку 2 с отверстием, гайку 3 винтовой передачи приводного механизма, шпиндель 4 и запорный орган 5, расположенный в нижнем корпусе 6, Шпиндель 4 имеет резьбы, в верхней части, контактирующей с гайкой приводного механизма 3, в нижней, контактирующей с гайкой 7, заложенной в запорный орган 5. В верхней части шпинделя 4 расположена стопорная шайба 8.
При поступлении команды на закрытие задвижки начинает вращаться расположенная в верхнем корпусе 1 гайка 3 винтовой передачи приводного механизма. Шпиндель 4, проходящий через отверстие в крышке 2, с запорным органом 5 движется поступательно, перекрывая поток перемещаемой среды. По мере перекрытия потока за задвижкой происходит потеря скоростного напора, которая, в свою очередь, приводит к повышению давления в части трубопровода до задвижки, то есть возникает перепад давлений. При перекрытии первой половины потока стопорная шайба 8 упирается в гайку 3 винтовой передачи приводного механизма, не позволяя шпинделю 4 двигаться далее поступательно вниз. Так как вращение гайки 3 винтовой передачи приводного механизма продолжается шпиндель 4 переходит во вращательное движение. При этом, за счет гайки 7, заложенной в запорный орган 5, поступательно вниз начинает двигаться запорный орган 5. Чтобы при этом понизить скорость перекрытия потока необходимо нижнюю часть резьбы на шпинделе 4 выполнить с отличными от верхней резьбы характеристиками. Например, верхняя резьба - однозаходная, а нижняя - многозаходная. В результате скорость опускания запорного органа 5 при вращательном движении шпинделя 4 станет меньше первоначальной скорости перекрытия потока за счет поступательного движения шпинделя 4. Выбор длины нижней части резьбы равной 1,1 длины верхней части резьбы обеспечивает полное перекрытие потока и достаточное уплотнение запорного органа.
Для обоснования выбора длины верхней части резьбы шпинделя 4, ниже приведены следующие расчеты.
Для горизонтальной линии тока жидкости справедливо уравнение Бернулли:
1
2
1
2
где V и V - скорости потока среды до и после задвижки, соответственно; P и P - давление среды до и после задвижки, соответственно; ρ - плотность среды.
Из уравнения (1) имеем:
Согласно теореме о неразрывности струи для трубы переменного сечения:
1
2
где S и S - площади поперечного сечения трубы до и после задвижки, соответственно; Q - поток жидкости (объем жидкости, проходящий через поперечное сечение за единицу времени).
Из уравнения (3) имеем:
Подставляя (4) в (2), получили:
2
Видно, что при S→0 ΔP→∞, что и приводит к гидравлическому удару. Ограничим ΔP величиной, при которой не произойдет разрушение части трубопровода до задвижки. При испытаниях трубопроводы должны выдерживать давление в 5-10 раз больше номинального. Примем условие:
где P - штатное давление в трубопроводе.
Давление в трубопроводе связано со скоростью и плотностью среды:
Подставляя (6) и (7) в (5), получили:
2
Разрешая (8) относительно S, получили:
Что фактически означает, что после быстрого перекрытия половины площади поперечного сечения трубопровода давление перед задвижкой повышается в 3 раза.
Длина верхней резьбовой части должна быть такой, чтобы после перекрытия половины площади поперечного сечения трубопровода стопорная шайба 8 уперлась в гайку 3. С этого момента шпиндель 4 прекратит поступательное движение и перейдет во вращательное движение. Таким образом, для перевода шпинделя при перекрытии первой половины потока из первоначального поступательного движения во вращательное длина верхней части резьбы выбирается равной половине диаметра прохода трубопровода.
За счет гайки 7, заложенной в запорный орган 5, последний будет двигаться поступательно по нижней резьбе шпинделя 4. Чтобы при этом понизить скорость перекрытия потока необходимо нижнюю часть резьбы на шпинделе 4 выполнить с отличными от верхней резьбы характеристиками. Например, верхняя резьба - однозаходная, а нижняя - многозаходная. В результате скорость опускания запорного органа 5 при вращательном движении шпинделя 4 станет в 2 раза меньше первоначальной скорости перекрытия потока за счет поступательного движения шпинделя 4. Таким образом, для снижения скорости движения запорного органа при перекрытии второй половины потока резьба нижней части шпинделя выбирается многозаходной.
Длина нижней резьбовой части должна быть такой, чтобы обеспечить полное перекрытие потока и достаточное уплотнение запорного органа 5. Таким образом, для обеспечения полного перекрытие потока и достаточного уплотнения запорного органа 5 длина нижней части резьбы выбирается равной 1,1 длины верхней части резьбы.
Таким образом, в задвижке реализуется двухскоростной режим опускания шпинделя 4: быстро-медленно, что обеспечивает наиболее эффективную, безопасную и надежную работу затвора. 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 небольшого изменения существующих: нарезания резьбы в нижней части шпинделя 4 и заложения дополнительной гайки 7 в запорный орган 5 и рационального выбора параметров резьбы на нижней части шпинделя для существующих конструкций задвижек.