• Новости
  • Каталог уплотнений
  • Справочник
  • Каталог компаний
  • Мероприятия
  • Объявления
  • Виды и влияние «наследственных пороков» при изготовлении клапанно-седельных пар арматуры на ее эксплуатационную надежность

    19 ноября, 2015

    Мулюкин О. П., д. т. н., профессор кафедры «Механика и инженерная графика» Самарского государственного университета путей сообщения, Самара

    Общие сведения
    В конструкторско-технологической документации на изделия клапанного агрегатостроения строго оговариваются допустимые погрешности формы и отклонения размеров входящих в них деталей и узлов, назначаемые с учетом точности и возможностей используемых на производстве технологий, машинного парка, оснастки и инструмента. Эти погрешности формы и отклонения размеров относят к «наследственным порокам» изготовления сопрягаемых деталей и узлов, для снижения или компенсации влияния которых на выходные характеристики изделия требуется применение специальных мер. Чаще всего «наследственными пороками» называют перекос геометрических осей сопрягаемых элементов и погрешности формы исполнительных и центрирующих органов, например, в виде эллипсности
    или огранки.
    Практика эксплуатации клапанных устройств трубопроводной арматуры показывает, что наличие в них перекоса геометрических осей элементов клапанно-седельных пар (КСП) — «пружина-направляющая клапана-клапан-седло» — обуславливает [1, 2]:
    1) снижение точности центрирования герметизирующего усилия в уплотнительном соединении «клапан-седло», что приводит к неравномерности нагружения отдельных участков клапанного уплотнения с
    ухудшением его герметизирующей способности;
    2) уменьшение в момент контакта клапана с седлом фактической площади касания (ФПК) уплотнительных поверхностей, которое увеличивает удельное контактное давление в отдельных зонах клапанного уплотнения, что, с одной стороны, негативно влияет на текущие показатели его герметизирующей способности, а с другой стороны, снижает срок службы клапанно-седельной пары, наиболее «слабым» звеном которой является динамически нагруженное клапанное уплотнение.

    Основная часть
    Большинство известных способов устранения негативного влияния перекоса геометрических осей элементов КСП на ее выходные характеристики базируется на повышении точности центрирования герметизирующего усилия на элементах КСП, снижении динамической нагруженности КУ и стабилизации величины перетечек рабочей среды через уплотнение клапана, в значительной мере определяемой характером изменения ФПК уплотнительных элементов при эксплуатации агрегата. Взаимосвязь указанных деструктивных факторов очевидна — изменение ФПК уплотнительных элементов происходит
    чаще всего вследствие нарушения центровки герметизирующего усилия. Это нарушение может быть следствием проявления конструкторско-технологических или эксплуатационных факторов.
    К конструкторско-технологическим относится несоосное приложение герметизирующего усилия к запорному органу вследствие геометрического перекоса осей и несоосности направляющих поверхностей силового и запорного органов, неперпендикулярность положения плоскости тарели относительно оси направляющего хвостовика клапана, искривления при сжатии геометрической оси пружины с большим числом витков.
    К эксплуатационным факторам относится увеличение зазоров в сопряжениях запорного и силового органов с ответными направляющими элементами корпусной арматуры вследствие изнашивания контактирующих поверхностей в процессе работы [3].
    При отработке КУ широкопроходных агрегатов (с диаметром седла более 100 мм) иногда наблюдается рост утечки среды при давлении, меньшем расчетного. Такая утечка может быть обусловлена неравномерным распределением усилия сжатой пружины по кольцевой уплотнительной поверхности. Известно, что при сжатии пружин с большим количеством витков возможно искривление ее геометрической оси (выпучивание). В этом случае возникает боковая сила, которая стремится сдвинуть и приподнять тарель клапана. Это обуславливает неравномерность распределения уплотнительного давления по герметизируемому стыку, что приводит к утечкам среды в местах с меньшим удельным давлением. В работе [4] отмечается, что даже незначительное (~ 0,05 мм) смещение от центра «отпечатка» седла на тарели при неточной центровке приводит к потере герметичности. В то же время ужесточение допусков при центровке приводит к заеданию подвижных соединений. Уменьшение зазоров неприемлемо для подвижных сопряжений криогенной арматуры вследствие возможного коробления их элементов при захолаживании конструкции криогенным продуктом. Величина минимального зазора в таких устройствах выбирается в зависимости от диаметра сопряжения и может составлять от 15…50 мкм до 250…280 мкм [3]. Опытами установлено, что исключить утечку среды, вызываемую указанным фактором, можно, приблизив точку приложения герметизирующего усилия к плоскости контакта клапана с седлом (рис. 1).
    Рисунок 1.png

    Рис.1. Конструктивные схемы пружинных клапанов с максимальным приближением точки приложения герметизирующего усилия к плоскости контакта клапана с седлом: а — шариковый клапан; б — тарельчатый клапан

    Для устранения нежелательных последствий влияния искривления пружин на герметичность КУ широко применяют специальные типы опор, передающих усилие герметизации к уплотнению тарели клапана. Практика показала, что наиболее эффективны в этом плане сферические (шаровые) опоры, обладающие к тому же максимальной несущей способностью (рис. 2).

    Рисунок 2.png
    Рис. 2. Схемы центровки тарели клапана: а — по направляющей; б — по направляющей со свободнокачающейся тарелью; в — по упругоподвешенной втулке; г — с помощью сферического шарнира.

    Эффективным также является применение шарнирных муфт или компенсационных соединительных устройств (рис. 3) с подвеской подвижного элемента в направляющей поверхности на разрезных кольцах, которые обычно выполняются из полимерного материала (фторопласт-4, капрон, капролан, полиамид, поликарбонат) или из бронзовых сплавов [3].

    Рисунок 3.png
    Рис. 3. Конструктивные схемы шарнирной муфты (а) и компенсационного соединительного устройства: 1 — седло корпуса; 2 — клапан; 3 — шток поршня; 4 — штифт; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — П-образная втулка; 7 — переходник; 8 — сферический зацеп; 9 — кольцо направляющее

    В работе [5] отмечается, что стабилизация величины перетечек через КСП в ходе выработки эксплуатационного ресурса с одновременным повышением срока службы КУ достигается при газостатическом центрировании направляющих поверхностей запорных и силовых органов. Этой же цели служит исполнение КСП на базе W-образного седла (рис. 4).

    Рисунок 4.png
    Рис. 4. Конструктивная схема КСП с W-образным седлом

    В этой конструкции одно из седел (большего диаметра) подвергается воздействию ударных нагрузок в момент касания с клапаном при несоосности или перекосе последнего относительно
    ответной направляющей корпуса. Это разгружает седло меньшего диаметра, предназначенное для герметизации уплотняемого стыка, от ударных нагрузок. С целью защиты КУ от ударных нагрузок в ряде случаев между его соударяющимися элементами устанавливают поглотители энергии в виде упругих прокладок самой различной формы, например гофрированных пластин. Заслуживает внимания использование в качестве поглотителей энергии элементов из упругопористого материала МР (рис. 5) [6].

    Рисунок 5.png

    Рис. 5. Примеры конструкторской реализации конструктивного демпфирования в клапане (а) и седле (б) клапанно-седельной пары

    На рис. 5, а представлена конструкция демпфера клапана. Она включает корпус 1, клапан 2, седло 3. В теле клапана 2 последовательно (относительно седла 3) размещены уплотнитель 4, полимерный диск 6, цилиндр 7 из материала МР, металлический диск 8 и упругий гофрированный металлический диск 9. Данный набор элементов уплотнительно-демпфирующего устройства в теле клапана 2 закреплен при помощи гайки 5.
    На рис. 5, б представлена конструкция задемпфированного седла. Конструкция включает корпус 1, в котором сцентрирован клапан 2. В корпусе 1 размещено седло 3, которое с жестко закрепленной с корпусом опорной втулкой 7 связано при помощи цепочки элементов: металлического диска 4, втулки 5 из материала МР, стопорного кольца 11, опоры 10, на которую передается усилие пружины 6. Пружина 6 опирается на нижнюю опору 9, зафиксированную стопорным кольцом 8.  Одновременное демпфирование клапана и седла используется при значительных динамических нагрузках в зоне уплотнительного соединения с учетом принятого типа пружины и ее силовой характеристики.
    Следующей разработкой автора является конструкция автоматического пружинного клапана с оригинальной КСП, в которой звенья кинематической цепи «направляющая-клапан-седло» соединены закладными шарнирами пространственного положения (рис. 6).

    Рисунок 6.png
    Рис. 6. Пружинный клапан с соединением звеньев «направляющая-клапан-седло» закладными шарнирами пространственного положения
    1 — корпус; 2 — седло; 3 — клапан; 4 — клапанное уплотнение; 5 — резьбовой хвостовик клапана; 6 — набор разрезных полувтулок; 7 — браслетная пружина; 8 — закладной конус;
    9 — пружина; 10 — закладная сфера; 11 — резьбовой пружинный подпятник; 12 — гайка; 13 — контргайка

    «Изюминка» конструкции на рис. 6 в том, что в ней не предъявляются жесткие требования к минимальности несоосности сопрягаемых поверхностей корпуса 1, клапана 3 и направляющих элементов хвостовика этого клапана, что весьма радует производственников, ибо снижает трудоемкость и время изготовления этого пружинного клапана. Конструкция надежно работает при сравнительно высокой (в сравнении с известными конструкциями пружинных клапанов) несоосности сопрягаемых поверхностей элементов КСП, что достигается компенсацией этих несоосностей путем пространственной самоустановки набора разрезных втулок 6, закладного конуса 8 и закладной сферы 10, всегда обеспечивающей параллельное расположение уплотнительных поверхностей клапанного уплотнения 4 и седла 2.

    Выводы
    Представлены рекомендации по целенаправленному выбору и комбинированию на этапе эскизного проектирования различных способов и средств устранения негативного влияния переноса геометрических осей элементов КСП на герметизирующую способность и ресурс КУ для сокращения срока создания высокоэффективной конструкции пневмогидроарматуры, в том числе за счет исключения потребности проведения доводки КСП на соответствие предъявляемым к ней требованиям по качеству выходных параметров трубопроводной арматуры.

    Самара, сентябрь 2015 года

    Список литературы
    1. Чегодаев Д. Е. Гидропневмотопливные клапанные агрегаты с управляемым качеством динамических процессов: Учебно-справочное пособие [Текст] / Д. Е. Чегодаев, О. П. Мулюкин, А. Н. Кирилин и др. — Самара: СГАУ, 2000. — 546 с.: ил.
    2. Дудин М. П. Способы предупреждения и снижения влияния перекоса геометрических осей элементов клапанно-седельных пар на их функциональные свойства в составе пневмогидросистем мобильной транспортной техники [Текст] / М. П. Дудин, А. Г. Ермоленко, О. П. Мулюкин // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. — Самара: Самарский государственный ун-т путей сообщения, 2010. — № 3. — С. 85–89.
    3. Чегодаев Д. Е. Гидропневмотопливные агрегаты и их надежность: Монография [Текст] / Д. Е. Чегодаев, О. П. Мулюкин. — Куйбышев: Кн. изд-во, 1990. — 104 с. \
    4. Бугаенко В. Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем: Монография [Текст] / В. Ф. Бугаенко. — М.: Машиностроение, 1979. — 168 с.
    5. Макушин А. Б. Динамические характеристики клапана с газостатическим центрированием [Текст] / А. Б. Макушин, Д. Е. Чегодаев // Гидрогазодинамика летательных аппаратов и их систем: Сб. науч. тр. — Куйбышев: КуАИ, 1984. — С. 95–105.
    6. Белоусов А. И. Элементы пневмогидроарматуры из упругопористого нетканого металлического материала: Могография [Текст] / А. И. Белоусов, Е. В. Шахматов, А. В. Ковтунов, О. П. Мулюкин,
    А. Н. Кирилин, В. М. Вершигоров, О. Е. Лаврусь, В. А. Гордон, В. Г. Малинин. — Самара: СамГУПС, 2009. — 119 с.


    Похожие новости

    Назад к списку новостей