1 Завдання для розрахункової роботи

Друге розрахункове завдання. Провести проектний розрахунок сферичного прохідного крана з плаваючою пробкою із змащуванням буз попереднього затягування, номінальний діаметр якого DN, а номінальний тиск PN; коефіцієнт повнопрохідності f = 0,9; матеріал корпусу і пробки – сталь, ущільнювальних кілець – надміцний чавун; середовище – природний газ.

Вихідні дані для виконання розрахункових робіт приведені у таблиці 1.1

Таблиця 1.1 – Вихідні дані для розрахунку

Варіант №	Номінальний тиск, кгс/см2	Номінальний діаметр, мм
15	2,5	80

2 Вибір основних конструктивних параметрів сферичного крана

2.1 Геометричний розрахунок сферичного крана

Рисунок 3.1 – Схема ущільнювальної поверхні у

сферичному крані

Діаметр проходу (вікна) крана в корпусі визначається за формулою

, (2.1)

де f - коефіцієнт повнопрохідності;

DN – діаметр умовного проходу пробки крана, см.

Діаметр проходу (вікна) крана в корпусі становить:

см

Орієнтовне значення перекриття (ширини ущільнювального кільця) у сферичних кранах при проведенні проектних розрахунків визначається за формулою:

, (2.2)

де n - величина перекриття, мм;

k_у – коефіцієнт, який визначається в залежності від матеріалу ущільнювальних кілець, приймаю для твердих сплавів згідно [1] k_у = 0,25;

DN – умовний діаметр, мм;

PN – умовний тиск, кгс/см².

Орієнтовне значення перекриття (ширини ущільнювального кільця) у сферичних кранах при проведенні проектних розрахунків становить:

мм.

Діаметр сферичної пробки визначається, як і для конічної пробки, за формулою (1.8) при умові, що , тобто:

. (2.3)

Діаметр сферичної пробки становить:

см.

Оскільки центральний кут, який відповідний перекриттю n:

,

то:

. (2.4)

Центральний кут, який рівний n становить:

.

Центральний кут зовнішнього краю ущільнювального кільця визначається за формулою:

. (2.5)

Центральний кут зовнішнього краю ущільнювального кільця становить:

.

Центральний кут внутрішнього краю ущільнювального кільця визначається за формулою:

. (2.6)

Центральний кут внутрішнього краю ущільнювального кільця становить:

.

2.2 Силовий розрахунок сферичного крана

Зусилля від тиску робочого середовища на пробку сферичного крана визначається за формулою:

, (2.7)

де - радіус середньої лінії ущільнювального кільця, см;

- робочий тиск середовища, кгс/см².

Виходячи із конструктивних міркувань, приймають, що , а тому:

, (2.8)

де см.

Радіус середньої лінії ущільнювального кільця становить:

см.

Зусилля від тиску робочого середовища на пробку сферичного крана становить:

кгс.

Визначаємо зусилля попереднього затягування ущільнювальних кілець за формулою:

, (2.9)

Зусилля попереднього затягування ущільнювальних кілець становить:

кгс.

Оскільки зусилля попереднього затягування ущільнювальних кілець є рівним зусиллю від робочого тиску середовища на пробку сферичного крана, то крутячий момент визначається за формулою:

; (2.10)

Крутячий момент становить:

Н·см.

де Q_з – зусилля попереднього затягування ущільнювальних кілець, кгс;

- коефіцієнт тертя між пробкою і матеріалом ущільнення згідно із [1]

приймаю = 0,1;

- робочий тиск, кгс/см².

Затвори сферичного, як і циліндричного кранів працюють в умовах близьких до умов роботи плоского затвора вентиля. Кривизна ущільнення не відіграє великої ролі, оскільки радіус кривизни ущільнювальних поверхонь досить великий у порівнянні з мікронерівностями, а отже із висотою зазорів між поверхнями. Клиновий ефект у сферичному крані також не відіграє суттєвої ролі через великий кут, який утворюють ущільнювальні поверхні (біля 90⁰). У зв’язку із цим питомий тиск, який необхідний для забезпечення герметичності сферичних і циліндричних кранів без змащування визначається за формулою:

, (2.11)

де m_с – коефіцієнт, який залежить від типу робочого середовища, згідно із [1] приймаю m_с = 1,5;

с і k_c – сталі, які залежать від матеріалу ущільнення згідно із [1] приймаю с = 30, k_c = 1,0;

n – ширина перекриття (ущільнення), см.

Питомий тиск, який необхідний для забезпечення герметичності сферичних і циліндричних кранів без змащування становить:

кгс/см².

Оскільки , то середній питомий тиск на вихідному кільці визначається за такою формулою:

; (2.12)

де k_p – коефіцієнти, які залежать від кутової ширини ущільнювального кільця, приймаю згідно [1] k_p = 1,94.

Середній питомий тиск на вихідному кільці становить:

кгс/см²

Максимальний питомий тиск , який буде на внутрішньому краю вихідного кільця крана без попереднього затягування і при затягуванні зусиллям, яке , визначається за формулою:

. (2.13)

Максимальний питомий тиск , який буде на внутрішньому краю вихідного кільця крана без попереднього затягування і при затягуванні зусиллям, яке становить:

кгс/см².

За тієї ж умови питомий тиск на вхідному ущільнювальному кільці буде дорівнювати нулю.

Виходячи із формули (2.12), максимальний питомий тиск на внутрішньому краю ущільнювального кільця буде дорівнювати:

. (2.14)

Максимальний питомий тиск на внутрішньому краю ущільнювального кільця буде становити:

кгс/см².

Якщо у формулі (2.7) врахувати формулу (2.8), то отримаємо формулу для визначення зусилля від дії тиску робочого середовища на пробку сферичного крана визначається за формулою:

. (2.15)

Зусилля від дії тиску робочого середовища на пробку сферичного крана становить:

кгс/см²

Виходячи із умови, що момент тертя у сальнику і у опорі пробки не перевищують 30 % від моменту тертя пробки об корпус, орієнтовний розрахунковий крутячий момент на шпинделі приймається рівним:

(2.16)

Орієнтовний розрахунковий крутячий момент на шпинделі становить:

Н·см.

Діаметр шпинделя (суцільного хвостовика пробки) у сальнику при проектному розрахунку визначається із умови кручення за формулою:

, (2.17)

де - розрахункове допустиме напруження, визначається за формулою:

, (2.18)

де σ_тр – тимчасовий опір розриву, для високо вуглецевих хромистих сталей становить σ_тр = 7000 кгс/см².

Розрахункове допустиме напруження становить:

кгс/см²

Діаметр шпинделя (суцільного хвостовика пробки) у сальнику при проектному розрахунку становить:

см.

Схематично сальник крана із змащуванням показано на рисунку 2.1. Канавка 1 набивається спеціальним мастилом. За допомогою лубрикатора у канавку подається мастило під тиском, яке забезпечує герметичність сальника. Зусилля від тиску середовища на шпиндель 2 сприймає його різь.

1 - канавка із набивкою; 2 – шпиндель; 3 – лубрикатор;

4 – порожнина для мастила

Рисунок 2.1 – Схематичне зображення сальника крана з плаваючою пробкою із змащуванням

Момент тертя у різі (у тому числі і в сальнику) при повороті шпинделя визначається за формулою:

, (2.19)

де - середній діаметр різі;

- кут підйому різі;

- кут тертя, приймаю згідно [1] = 0,15.

Кут підйому різі визначається із формули

, (2.20)

де - крок різі, приймаю t = 1,5 мм.

Кут підйому різі становить:

.

Розміри різі шпинделя приймаються із конструктивних міркувань.

Із математичних тотожностей відомо, що:

. (2.21)

Момент тертя у різі (у тому числі і в сальнику) при повороті шпинделя становить:

Н·см.

Крутячий момент, який необхідно для повороту пробки крана визначається за формулою:

. (2.22)

Крутячий момент, який необхідно для повороту пробки крана становить:

Н см.