трубопроводная арматура с уплотнением для шпинделя

Формула изобретения

Трубопроводная арматура с уплотнением для шпинделя, содержащая корпус, крышку с отверстием и сальниковой камерой, снабженной сальниковой набивкой и уплотнительным кольцом, подвижный узел, состоящий из запорного органа и шпинделя, проходящего наружу из корпуса через сальниковую камеру, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо выполнено из цветного металла или сплава и размещено в сальниковой камере таким образом, что расстояние между точкой приложения сосредоточенной боковой нагрузки уплотнительного кольца и точкой приложения осевой сжимающей силы запорного органа лежит в диапазоне l₁= (0,35. . . 0,4)l, где l - длина шпинделя, причем коэффициент жесткости материала уплотнительного кольца выбирается по зависимости



где Е - модуль упругости материала шпинделя;

J - осевой момент инерции сечения шпинделя;

Р - осевая сжимающая нагрузка;

l - длина шпинделя;

l₁ - расстояние между точкой приложения сосредоточенной боковой нагрузки уплотнительного кольца и точкой приложения осевой сжимающей силы запорного органа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к трубопроводной арматуре, а именно к запорной отсечной аппаратуре, предназначенной для быстрого отключения части трубопровода.

Известна конструкция трубопроводной арматуры с уплотнением для шпинделя, содержащая корпус, крышку, подвижной узел, состоящий из запорного элемента и шпинделя, проходящего из корпуса через отверстие в крышке наружу и уплотненного относительно отверстия сальником (Свидетельство на полезную модель РФ 9502, МПК 6 F 16 K 41/04, 16.03.99 г.). В данной конструкции сальниковое устройство, которое, хотя и не может считаться надежной опорой из-за упругих свойств набивки, но все же оказывает значительное поддерживающее влияние, которое должно быть, учтено при определении основных конструктивных параметров арматуры. Однако все же из-за незначительных прочностных свойств уплотнительной набивки ее поддерживающие свойства незначительны и не могут существенно влиять на поддержание устойчивого положения протяженного стержня, которым является шпиндель запорного элемента. Это, в свою очередь, может привести к его поломке при больших нагрузках в процессе "страгивания" с посадочного места.

В качестве прототипа, как наиболее близкого к предлагаемой конструкции, выбрано сальниковое уплотнение шпинделей запорной арматуры трубопроводов по патенту РФ 2046231, МПК 6 F 16 J 15/18, 20.10.95 г. По данному изобретению сальниковое уплотнение содержит корпус с сальниковой камерой, в которой размещена сальниковая набивка, охватывающая подвижный уплотняемый элемент - шпиндель, и поджатая нажимным элементом. Причем в качестве сальниковой набивки используют древесные опилки, а в средней части сальниковой камеры установлено кольцо мягкой сальниковой набивки, пропитанное смазкой. Кольцо может быть выполнено из джута. Недостатком данной конструкции является то, что, как и в первом случае, мягкое кольцо не оказывает существенного поддерживающего влияния на шпиндель. К тому же в данном решении не обсуждаются вопросы расположения кольца относительно опор, а также прочностные свойства материала.

Данное изобретение решает задачу повышения надежности срабатывания затвора трубопроводной арматуры при значительных нагрузках, в частности шпинделя подвижного узла, а также задачу повышения срока службы затвора.

Задача решается за счет того, что в трубопроводной арматуре с уплотнением для шпинделя, содержащей корпус, крышку с отверстием и сальниковой камерой, в которой размещена сальниковая набивка и уплотнительное кольцо, а также подвижный узел, состоящий из запорного органа и шпинделя, проходящего наружу из корпуса через сальниковую камеру, уплотнительное кольцо выполнено из цветного металла или сплава. С целью оптимизации конструктивных параметров устройства в целом, уплотнительное кольцо 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. При этом коэффициент жесткости материала уплотнительного кольца сальника выбирается по зависимости:



где Е - модуль упругости материала шпинделя;

J - осевой момент инерции сечения шпинделя;

Р - осевая сжимающая нагрузка;

l - длина шпинделя;

l₁ - расстояние между точкой приложения сосредоточенной боковой нагрузки уплотнительного кольца и точкой приложения осевой сжимающей силы запорного органа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез трубопроводной арматуры; на фиг.2 - увеличенный узел I фиг. 1 - сальниковая камера с уплотнением; на фиг.3 показана расчетная схема нагружения шпинделя.

Трубопроводная арматура содержит корпус 1, крышку 2 с отверстием и сальниковой камерой 3, в которой размещена сальниковая набивка 4 и уплотнительное кольцо 5. Сальниковая набивка 4 и уплотнительное кольцо 5 охватывают уплотняемый элемент, которым является шпиндель 6. Шпиндель 6 совместно с запорным органом 7 образуют подвижный узел трубопроводной арматуры. Кольцо 5 выполняют из цветного металла или сплава, и оно выполняет как роль уплотнителя, так и роль боковой опоры для шпинделя 6. Таким образом, шпиндель 6, проходящий наружу из корпуса 1 с натягом через уплотнительное кольцо 5, размещенное с натягом по внешней стороне в сальниковой камере, получает дополнительную опору по боковой поверхности.

При быстром закрытии запорного органа 7 шпиндель 6 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 оптимального расположения уплотнительного (опорного) кольца 5 по длине шпинделя 6 ниже приведены следующие расчеты.

Известно, что металлы на начальных участках нагружения сопротивляются деформациям линейно упруго, тогда уравнение изогнутой линии шпинделя, потерявшего устойчивость, запишется так:



где k - коэффициент жесткости материала кольца сальника;

Е - модуль упругости материала шпинделя;

J - осевой момент инерции сечения шпинделя;

Р - осевая сжимающая нагрузка;

l - длина шпинделя;

l₁ - расстояние между точкой приложения сосредоточенной боковой нагрузки уплотнительного кольца и точкой приложения осевой сжимающей силы запорного органа.

При интегрировании (1) воспользуемся методом последовательных приближений.

В качестве первого приближения используем синусоиду Эйлера:



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



После последовательного интегрирования (3) получим:



Константы интегрирования определяются из граничных условий:



и второе приближение в этом случае примет вид:



Для нахождения критической силы приравняем амплитуды первого и второго приближения в фиксированной точке, например, z=l₁:



При осевой сжимающей силе Р меньшей P_кp, определяемой по формуле (6), потеря устойчивости шпинделем не произойдет.

Для нахождения местоположения уплотнительного опорного кольца 5 сальника относительно точек приложения нагрузок, при котором шпиндель 6 выдержит максимальную сжимающую нагрузку, логично воспользоваться условием:

dP_кр/dl₁=0. (7)

В результате получим алгебраическое уравнение:



Решение (8) имеет три действительных корня:

l₁-0,625l; l₁=l; l₁0,325l.

Первое из них не удовлетворяет решению задачи, так как является отрицательным, второе - является минимумом для (7), то есть при l₁=l шпиндель 6 потеряет продольную устойчивость при минимальном значении сжимающей силы, третье максимумом, и расположение опорного кольца 5 сальника на расстоянии

l₁0,325l (9)

является наиболее благоприятным, так как шпиндель 6 при этом выдерживает максимальное сжимающее усилие. Исходя из допусков на размеры конструктивных элементов и сборку конструкции рекомендуемое местоположение уплотнительного кольца 5 определяется из диапазона l₁=(0,35...0,4)l.

Для рационального выбора материала уплотнительного опорного кольца 5 разрешим (6) относительно коэффициента жесткости k материала уплотнительного кольца 5 сальника и получим выражение для определения последнего в зависимости от геометрии конструкции и условий эксплуатации с обеспечением сохранения продольной устойчивости шпинделя:



Выполнение уплотнительного кольца 5 из цветного металла или сплава, а также установка его на шпинделе 6 и в сальниковой камере с натягом на заданном расстоянии от точки приложения силы запорного органа, существенно повышает продольную устойчивость шпинделя 6. Это, в свою очередь, повышает его эксплуатационные свойства, 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.