сайт Ермолаева Михаила Ивановича www.er44.narod.ru doc-версия 8-901-712-29-38

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ …

Кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И РАСЧЕТ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ГИДРОПНЕВМОСИСТЕМ

Методические указания для студентов

МОСКВА 2005

Составители: Никифоров Л.Л., Ермолаев М.И., Нечаев Б.П.

В методических указаниях приведены примеры конструктивного исполнения предохранительных клапанов и представлена методика их расчета. Предназначены для студентов при проведении практических занятий по дисциплине «Производственная безопасность», «Безопасность жизнедеятельности» и при дипломном проектировании.

Утверждены советом по издательской деятельности МГУ…

ВВЕДЕНИЕ

При эксплуатации гидропневмосистем и емкостей, работающих под давлением выше атмосферного, необходимо включать в схему установок предохранительные устройства, позволяющие сбрасывать давление рабочей среды при превышении его расчетных значений. К таким предохранительным устройствам относятся предохранительные и переливные клапаны, разрывные предохранительные устройства и различные их комбинации.

В методических указаниях рассмотрены основные требования, предъявляемые к предохранительным клапанам и мембранным предохранительным устройствам, дана их классификация, приведены наиболее распространенные конструкции предохранительных клапанов и мембранных устройств. Выбор и расчет основных параметров предохранительных клапанов выполнен в соответствии с правилами Госгортехнадзора. В раборе уделено внимание вопросам проведения испытаний предохранительных устройств.

Часть 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И

КОНСТРУКЦИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

ГИДРОПНЕВМОСИСТЕМ

Безопасность эксплуатации систем, работающих под давлением, обеспечивается как соблюдением правил эксплуатации и техники безопасности, так и введением в состав систем специальных устройств, не допускающих повышение давлений в системах выше предельно допустимых значений, К таким устройствам относятся предохранительные клапаны и разрывные предохранительные устройства.

Требования, предъявляемые к предохранительным клапанам

Для обеспечения надежности работы предохранительных клапанов последние должны отвечать следующим требованиям:

1. обладать высокой чувствительностью, под которой понимается полное отсутствие или достаточно малое превышение давления в системе над его расчетным значением в момент открытия клапана;

2. иметь минимальную разность давлений открытая и закрытия клапанов;

3. в закрытом состоянии клапан должен обеспечивать герметичность рабочих полостей, между которыми он установлен. Нарушение герметичности приводит к снижению чувствительности работы клапана;

4. материалы, применяемые для изготовления клапанов, должны быть стойкими к химическому воздействию агрессивных сред;

5. при больших скоростях жидкости в дросселирующих сечениях клапанов необходимо использовать материалы, стойкие к эрозионному воздействию;

6. необходимо подбирать такую конструкцию клапана, чтобы при его закрытии и открытии не возникали колебания подвижных частей клапана;

7. при проектировании клапана следует предусмотреть возможность применения данной конструкции в различных пневмогидравлических системах;

8. конструкция клапана должна быть технологичной и экономичной.

Наряду с указанными требованиями конструкция предохранительного клапана должна отвечать комплексу общих требований, предъявляемых к узлам и деталям современного машиностроения.

Классификация предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны, работающие в различных пневмогидравлических системах, являются автоматически действующими устройствами, поэтому, пользуясь терминологией теории автоматического регулирования, можно все предохранительные клапаны делить на клапаны прямого и непрямого действия.

Основное различие клапанов прямого и непрямого действия состоит в том, что в клапанах прямого действия (рис. 1 а) перемещение замыкающего органа осуществляется усилием, возникающим от воздействия давления среды на чувствительный элемент, а в клапанах непрямого действия (рис. 1 б) под воздействием давления среды на чувствительный элемент перемещается усилитель, который управляет подачей вспомогательной энергии в привод для перемещения замыкающего органа.

Предохранительные клапаны прямого действия классифицируют по следующим признакам;

- по направлению воздействия рабочего давления в системе на замыкающий орган;

- по виду чувствительного элемента;

- по способу создания управляющей нагрузки;

- по характеру перемещения замыкающего органа;

- по высоте подъема замыкающего органа;

- по виду сообщения выходной полости предохранительного клапана с окружающей средой.

a

б

Рис 1. Структурные схемы предохранительных клапанов

а) клапан прямого действия; б) клапан непрямого действия

По направлению воздействия рабочего давления на замыкающий орган клапана они делятся на клапаны с подачей давления под замыкающий орган (рис. 2 а) и клапаны с подачей давления на замыкающий орган (рис. 2 в).

В предохранительных клапанах с подачей давления под замыкающий орган последний выполняет одновременно роль чувствительного элемента. К таким клапанам относятся и дифференциальные предохранительные клапаны (рис. 2 б) у которых замыкающим и чувствительным элементом служит дифференциальный поршень, позволяющий снизить величину управляющей нагрузки за счет введения разгрузочной площади, равной . Такие предохранительные клапаны обычно используют в гидросистемах с большим усилием открытия, преодолеть которое позволяет дифференциальный поршень.

Разновидностью таких клапанов являются клапаны, с подвижным седлом перемещающиеся совместно с чувствительным элементом (рис. 2 г) Под действием давления чувствительный элемент (в данном случае упругая металлическая мембрана) перемещается вместе с седлом и прижимаемым к нему под действием давления среды золотником до тех пор, пока золотник не достигнет регулировочного стержня. После чего мембрана с седлом, перемещаясь далее под действием возрастающего давления, обеспечит открытие клапана.

а – с подачей давления б – с дифференциальным

под замыкающий орган поршнем

в – клапан с подачей давления на г – клапан с подвижным седлом

замыкающий орган

Рис. 2. Принципиальные схемы действия предохранительных клапанов прямого действия

д – клапан с плоским чувствительным е – клапан со сферическим

элементом чувствительным элементом

ж – клапан с коническим

чувствительным элементом

з – клапан с сильфоным

чувствительным элементом

Рис. 2. Принципиальные схемы действия предохранительных клапанов прямого действия (продолжение)

и – магнитно-пружинный клапан к – клапан пружинный с

эжекторным устройством

л – рычажно-пружинный клапан м – клапан с газовой камерой

Рис. 2. Принципиальные схемы действия предохранительных клапанов прямого действия (окончание)

Предохранительные клапаны прямого действия по виду чувствительного элемента делятся на плоские, сферические и конические клапаны (рис. 2 д, е, ж). Для этих клапанов характерна прямая подача жидкости на чувствительный элемент, который не демпфируется и несцентрирован в корпусе предохранительного клапана. Такие клапаны при значительных расходах и давлениях имеют большие габариты и усилия пружины, работают с высоким уровнем шума и вибраций в неустановившемся режиме. Так как чувствительный элемент клапана несцентрирован в корпусе, он может смещаться в поперечном направлении, что приводит обычно к преждевременному износу седла клапана:

1. тарельчатые (рис. 2 а, в) со сцентрированным чувствительным элементом. Такие клапаны просты в изготовлении и обеспечивают высокую герметичность;

2. поршневые (рис. 2 б) обладают наиболее высокой чувствительностью, однако сложны в изготовлении;

3. сильфонные (рис. 2 з), применяемые для герметичного разделения сред;

4. мембранные (рис. 2 г), обладающие высокой чувствительностью, но малой прочностью мембран и небольшим перемещением.

Предохранительные клапаны прямого действия по способу создания управляющего усилия делятся на :

- пружинные (рис. 2 а, г, ж), регулирование и настройка которых осуществляется переменной затяжкой пружин с помощью винта затяжки. Такие клапаны имеют большие габариты;

- магнитно-пружинные (рис. 2 и), в которых для увеличения чувствительности дополнительное регулирование работы клапана осуществляется электромагнитом;

- пружинные с эжекторным устройством (рис. 2 к), в которых управляющее усилие создается силой затяжки пружины и силой давления газа в полости А. Давление газа в полости А изменяется с помощью эжекторного устройства;

- грузовые и рычажно-грузовые с прямым и непрямым нагружением замыкающего органа. Клапаны данного типа в настоящее время не разрабатываются, так как у них ограничена величина усилия на замыкающий орган и существует вероятность возникновения вибрации рычажно-грузовой системы;

- рычажно-пружинные (рис. 2 л), в которых управляющее усилие создается силой затяжки пружины и передается на замыкающий орган с помощью рычажного механизма. Рычажный механизм позволяет увеличить ход замыкающего органа. Такие клапаны применяются в газогидравлических магистралях с большим расходом рабочей среды;

- клапаны с газовой камерой (рис. 2 м), в которых управляющая нагрузка воспроизводится силой давления сжатого газа, подаваемого в управляющую полость А и действующего на мембрану. Такие клапаны чувствительны к колебаниям окружающей среды, вызывающим изменение давления в газовой полости А;

- клапаны, в которых управляющее усилие возникает полностью (рис. 2 г) или частично (рис. 2 з) за счет упругих сил чувствительного элемента.

Предохранительные клапаны прямого действия по характеру перемещения замыкающего органа делятся на:

- клапаны пропорционального действия (рис. 2 з), работа которых характеризуется равномерным открытием клапана по мере превышения давления в системе над давлением открытия клапана;

- клапаны двухпозиционного действия (рис. 2 г), работа которых характеризуется тем, что с превышением давления в системе над давлением с начала открытия клапан открывается сразу на всю величину хода замыкающего органа и начинает пропускать максимальный расход.

При дальнейшем увеличении давления пропускная способность клапана увеличивается лишь за счет роста плотности газа. Для таких клапанов характерны только два положения замыкающего органа, полностью закрыт Р₁>Р^*_н или полностью открыт Р₁Р^*_н, где Р^*_н – давление настройки клапана. Двухпозиционная работа клапана обуславливается его конструктивным исполнением. В момент отрыва замыкающего органа от уплотнительной поверхности седла к статическому давлению рабочей среды, действующему на замыкающий орган по площади седла, добавляется дополнительная подъемная сила, возникающая за счет воздействия статического давления и давления потока жидкости на площадь поверхности замыкающего органа;

- клапаны с постоянными магнитами (рис. 2 и), в которых перемещение замыкающего органа при открытии происходит скачкообразно (при давлении, близком к максимально допустимому в системе), а при закрытии - пропорционально.

Предохранительные клапаны прямого действия по высоте подъема замыкающего органа делятся на три группы:

- полноподъёмные клапаны (рис. 2 и) двухпозиционного действия, в которых благодаря специальным устройствам, способствующим увеличению подъема замыкающего органа, достигается максимальная высота подъема H_max D_ср

В таких клапанах проходное сечение клапана в обоих положениях больше проходного сечения седла;

среднеподъемные клапаны двухпозиционного действия (рис. 2 к), в которых достигается максимальная высота подъема H_max=()D_ср. В таких клапанах только проходное сечение клапана при максимальном открытии больше проходного сечения седла;

малоподъемные клапаны пропорционального действия

(рис. 2 в), в которых H_max=()D_ср.

В таких клапанах перемещение замыкающего органа пропорционально давлению рабочей среды, а проходное сечение клапана меньше проходного сечения седла. Необходимо отметить, что правилами Госгортехнадзора принято деление клапанов лишь на две группы:

малоподъемные H_max=()D_ср и полноподъемные H_max D_ср.

Предохранительные клапаны прямого действия по виду сообщения выходной полости с окружающей средой подразделяются на две группы:

- открытые клапаны, в которых рабочая среда из выходной полости клапана направляется непосредственно в атмосферу. Такие клапаны применяются в воздушных, азотных и ряде других систем. В некоторых предохранительных клапанах сбрасываемая среда направляется предварительно в магистраль сброса, а оттуда выбрасывается в атмосферу;

- закрытые клапаны, в которых протечки срабатываемой среды в окружающую среду недопустимы. Такие клапаны применяются в гидросистемах в химической промышленности, а также в системах с токсичными средами.

Применение предохранительных клапанов прямого действия ограничено. Их нерационально применять в системах высокого давления большой производительности, так как в этом случае требуются значительные усилия для создания управляющей нагрузки. Нецелесообразно применять такие клапаны при высоких требованиях к герметичности соединения седла и замыкающего органа, а также при необходимости обеспечить срабатывание клапана в узком диапазоне давлений рабочей среды при наличии сил, вызванных прикипанием замыкающих органов к седлу. В этих условиях целесообразно использовать предохранительные клапаны непрямого действия, для срабатывания которых используется вспомогательная энергия.

Предохранительные клапаны непрямого действия классифицируют по следующим признакам:

1) по виду вспомогательной управляющей энергии;

2) по виду чувствительного элемента;

3) по виду усилителя;

4) по характеру перемещения замыкающего органа;

5) по высоте подъема замыкающего органа;

6) по виду сообщения выходной погости предохранительного клапана с окружающей средой.

Учитывая, что по ряду признаков классификация клапанов прямого действия и непрямого действия полностью совпадает, ниже рассмотрена лишь классификация по признакам, характерным для предохранительных клапанов непрямого действия.Предохранительные клапаны непрямого действия по виду вспомогательной управляющей энергии делятся на три группы:

- клапаны с управлением от рабочей среды (рис. 3 а, б).

а – клапаны с управлением б – клапаны с управлением

от рабочей среды от рабочей среды

в – клапаны с управлением от постороннего г – клапаны с управлением от

источника давлениям электрического устройства

Рис. 3. Принципиальные схемы предохранительных клапанов непрямого действия

Такие предохранительные клапаны относят к классу импульсно-предохранительных устройств, основное преимущество которых состоит в отсутствии вспомогательного источника энергии. Однако применение таких клапанов возможно лишь в системах с неагрессивными жидкостями при незначительных отклонениях температуры от температуры окружающей среды;

- клапаны с управлением от постороннего источника давления (рис 3 в). Они применяются в магистралях с агрессивной или сильнозагрязненной рабочей средой, а также в условиях повышенных или пониженных температур. Источником давления в управляющей полости чаще всего служит воздух. В клапане, показанном на (рис. 3 в), подаваемый на дифференциальный поршень привода воздух обеспечивает дополнительное уплотнение главного затвора. Чувствительным элементом усилителя является трубка Бурдона, При давлении в системе, равном рабочему давлению и ниже, заслонка выведена из плоскости сопла и клапан с мембранным приводом под действием давления воздух закрыт. При аварийном повышении давления в системе рабочая среда воздействует на трубку Бурдона, и заслонка перекрывает поток воздуха из сопла. Мембранный клапан открывается, и на дросселе за счет возникающего потока срабатывает перепад давления. Давление воздуха над поршнем привода падает, способствуя открытию главного затвора в момент подачи воздуха. В таких предохранительных клапанах применяют стандартные элементы пневмоавтоматики, которые для надежности часто дублируются. При отсутствии воздуха клапан работает как обычный предохранительный клапан прямого действия;

- клапаны с управлением от электрического устройства (рис. 3 г). В таких клапанах привод состоит из двух электромагнитов закрывающего и открывающего. Чувствительным элементом в них обычно является трубка Бурдона.

Предохранительные клапаны непрямого действия по виду усилителя делятся на три группы:

- клапаны с усилителем в виде клапанного устройства (рис. 3 а, б) Такие предохранительные клапаны обычно применяются при значительных расходах газожидкостных рабочих сред;

- клапаны с усилительными устройствами типа «сопло-заслонка» (рис. 3 в). Такие клапаны имеют высокую чувствительность и допускают большой диапазон регулирования;

- клапаны с усилителем электроконтактного типа (рис. 3 г). Они применяются на газовых магистралях во избежание гидравлического удара жидкости при резком открытии и закрытии клапана.

По остальным признакам предохранительные клапаны непрямого действия имеют классификацию, аналогичную классификации предохранительных клапанов прямого действия. Некоторое отличие состоит в том, что в предохранительных клапанах непрямого действия в качестве чувствительного элемента, кроме рассмотренных ранее, применяются еще и трубки Бурдона.

Конструкции предохранительных клапанов

В настоящее время промышленность России клапаны нормализированного ряда в зависимости от давления рабочей среды, например на давление 25, 50, 250 и 320 кгс/см². В свою очередь, предохранительные клапаны, рассчитанные на одно давление, изготавливаются с различными размерами проходных сечений, что характеризует их пропускную способность. На рис. 4 представлена конструкция предохранительного штуцерного клапана прямого действия. Данная конструкция положена в основу нормализованных предохранительных клапанов для компрессорных установок. В табл. 1 представлены размеры проточных каналов и проходных сечений данного нормализированного ряда клапанов.

Таблица 1

Диаметр седла d_с , мм

100

Проходное сечение S, мм²

660

9,9

23,8

42,3

169

264

675

1050

1650

4260

6680

Диаметр входного канала d_1, мм

150

175

На рис. 5 представлена конструкция предохранительного клапана прямого действия, устанавливаемого в гидромагистралях. Для повышения герметичности клапана в его конструкцию введен индикаторный поршень 3, который служит седлом для шарикового клапана 2 и при повышении давления перемещается вместе с шариком, сжимая пружину 5. После того как шариковый клапан придет в результате перемещения поршня к упорному стержню 4, площадь, на которую действует давление жидкости, уменьшится на величину площади отверстия, перекрываемого клапаном. Равновесие сил нарушится, и прекратится движение поршня. При дальнейшем повышении давления до значения, способного преодолеть сопротивление пружины 5, шариковый клапан оторвется от седла и откроет проход жидкости через отверстие в поршне. Необходимо отметить, что в клапане с индикаторным поршнем шарик 2 при отсутствии давления прижимается к седлу лишь небольшим усилием пружины 1, удерживающей шарик в требуемом положении. При увеличении же давления усилие прижатия увеличивается, следовательно, увеличивается герметичность такого клапана.

Диаметры клапанов прямого действия в системах высоких давлений практически ограничены величиной 26 мм, поскольку при больших диаметрах клапана размеры пружин недопустимо возрастают. Для уменьшения усилия пружины при заданных расходах и давлениях, а также для повышения чувствительности клапана и стабильности срабатывания его, применяют клапаны с серводействием (рис. 6). В этом клапане полость рабочего давления 1 через дроссель 2 соединена с полостью 4, давление в которой, действуя на поршень 3, удерживает (совместно с пружиной 8) клапан 9 в закрытом положении. Клапан будет закрыт до тех пор , пока давление Р₃ в полости 4, равное давлению Р₁, не преодолеет действие пружины 6 и не откроет вспомогательный клапан 7. В результате этого давление жидкости в полостях 4 и 5 уменьшится, и клапан 9 откроется. Давление в полости 4 уменьшится до величины, при которой расход жидкости через клапан 7 будет равен расходу жидкости через дроссель 2, Изменением усилия затяжки пружины 6 осуществляется настройка клапана 9. Для слива жидкости из полости 5 в клапане 9 предусмотрен канал 10. Предохранительный клапан такой конструкции широко используется в гидросистемах.

В пневмо- и гидроприводах применяются, как правило, предохранительные клапаны непрямого действия. На рис. 7 представлена конструкция клапана непрямого действия МН 5781-65, предназначенного для гидросистем прессов и других машин, работающих на минеральном масле с температурой от –40 до +50 ^оС. Клапан состоит из корпуса 1 крышки 5, клапана первого каскада 6, настраиваемого винтом 8 и пружиной 7, клапана второго каскада 3, прижимаемого к седлу 2 пружиной 4. Клапан 6 выполнен в виде сцентрированной конической иглы, имеющей направление в герметичном корпусе. При давлении в системе, не превышающем усилие настройки пружины 7, клапан закрыт, а клапан 3 прижат к седлу 2 пружиной 4. Давление жидкости в полостях a и б одинаково и равно давлению в системе (полости а и в связаны каналом д через дроссель 9).

При превышении давления в системе открывается клапан первого каскада 6, при этом происходит слив жидкости из надклапанной полости через канал г в полость б, соединенную с емкостью. При этом за счет дросселя 9, выполненного в виде винта с комбинированным отверстием е, образуется перепад давления жидкости между напорной и надклапанной полостями а и б. Клапан второго каскада 3 поднимается и соединяет напорную полость а со сливной б, что приводит к уменьшению давления в системе. Конструкция клапана допускает дистанционную разгрузку системы путем присоединения управляющей аппаратуры к отверстию ж. В табл. 2 представлены параметры клапанов МН 5781-65.

Условный диаметр определяется по формуле D_y=.

Рис. 4. Предохранительный штуцерный клапан прямого действия открытого типа

Рис. 6. Предохранительный клапан прямого действия с серводействием

Таблица 2

Параметры клапана	Условный диаметр D_y , мм
Параметры клапана	16	20	25	32			40	50
Максимальный размер, л/мин	40	63	100	160		250		400
Наименьшее давление, кгс/см²			320
Максимальный перепад давления при изменении расхода от максимального до расхода утечки (1,5 л/мин),			30-35
Суммарная утечка по зазорам клапана, см³/с	6	7	8		10	12		16

Чувствительность клапанов непрямого действия может быть повышена за счет введения в его конструкцию индикаторного стержня. Введение индикаторного стержня позволяет значительно увеличить перепад давления на дросселе, что приводит к увеличению чувствительности клапана. Такие клапаны устанавливаются в гидроприводах прессов и других машин с высоким давлением и при использовании в качестве рабочих жидкостей воды эмульсий, минеральных масел с температурой от 5до 60^оС, при этом допускается наличие механических примесей в жидкостях не более 0,1 % по весу.

На рис. 8 представлена конструкция такого клапана, состоящего из корпуса 1, крышки 7, клапанов первого и второго каскадов 6 и 4. Конструктивной особенностью этого клапана, по сравнению с предыдущим, является индикаторный стержень 5 с пружиной 3, который нагружен давлением жидкости напорной магистрали, подводимой в полость д и воздействующей на клапан первого каскада 6.

При давлении жидкости в системе, не превышающем усилие настройки пружины 8, клапаны 4 и 6 закрыты и прижаты к седлам 2 и 8. При превышении давления в системе над усилием настройки пружины 9, регулируемой винтом 10, клапан 6 открывается под воздействием давления в полости а через индикаторный стержень 5. В результате этого жидкость из полости а по осевому каналу и дросселю постоянного сечения б перетекает в надклапанную полость б и из этой полости попадает в сливную полость д. Образуемый на дросселе перепад давления жидкости вызывает подъём основного клапана 4 второго каскада. При этом напорная полость а соединяется со сливной полостью d и давление в системе снижается.

Клапан отличается высокой герметичностью и стабильностью поддержания давления в системе (до 3 %). В табл. 3 представлены параметры нормализованного ряда клапанов КГ-52 с индикаторным стержнем.

Таблица 3

Маркировка клапана согласно нормам

Условный диаметр D_y, мм

Номинальный расход, л/мин

Максимально допустимое давление,

кгс/мм²

Номинальное давление,

кгс/см²

Диапазон регулирования давления,

кгс/см²

воды

масла

КР-52-2-1

КР-52-2-2

КР-52-2-3

КР-52-2-4

КР-52-2-5

КР-52-2-6

КР-52-2-7

150

240

480

600

960

1500

150

240

378

600

960

450

320

1-320

Создание работоспособных конструкций двухкаскадных предохранительных клапанов, рассчитанных на высокое давление (320 кгс/см² и выше), затруднено тем, что наряду с высокой чувствительностью работы такие клапаны должны иметь повышенную герметичность и обеспечивать длительную работу в системах.

На рис. 9 представлена конструкция клапана, с автоматическим дросселем и обратной отрицательной связью между рабочими элементами клапана. Особенностью конструкции данного клапана является то, что наряду с высокой чувствительностью, обеспечиваемой применением автоматического дросселирующего элемента между напорной и надклапанными полостями, введен элемент, повышающий устойчивость работы за счет взаимосвязанного движения клапанов первого и второго каскадов (обратная связь по положению).

В этом клапане значительно укорочена сливная магистраль из надклапанной полости, в результате чего существенно улучшился режим слива жидкости из этой полости по сравнению с вышерассмотренными клапанами. Первый каскад выполнен в виде золотника с запорной фаской и толкателем (индикаторным стержнем). Применяется данный клапан в гидроприводах прессов и других машин с давлением порядка 820 кгс/см² с использованием в

Рис. 7. Предохранительный клапан непрямого действия

Рис. 8. Предохранительный клапан непрямого действия КШ-52

с индикаторным стержнем

Рис. 9. Предохранительный клапан непрямого действия МСБ 30 с автоматическим дросселем и обратной связью между

рабочими элементами клапана

качестве рабочей среды минерального масла при температуре 5470 °С. Клапан состоит из корпуса 1, в котором расположен запорный орган 15 второго каскада с автоматическим дросселирующем элементом в виде золотниковой щели в. Этот дросселирующий элемент регулирует поток жидкости, проходящий в надклапанную полость г из напорной полости а через канал б, заглушенный пробкой 16.

В момент открытия клапана золотниковая щель в частично перекрывается колпачком 8 первого каскада, в результате чего автоматически устанавливается оптимальный для заданных условий режим срабатывания. Ширина золотниковой щели в рассчитывается и выбирается из условия наивысшей чувствительности (0,12-0,15 мм).

Верхний конец клапана 3 имеет ходовую посадку в крышке 12, нижняя часть установлена на более свободной посадке. Крышка посажена в корпусе 1 с резиновым уплотнением 4. Клапан 3 связан с пружиной 10, регулирующей давление настройки в полости а с помощью винта 7. Центрирование усилия пружины на клапан 3 производится через тарель 11 и шарик 5.

Дренаж внутренних утечек из верхней полости крышки 12 осуществляется через сверления в клапане 3. Для предотвращения возможных наружных утечек регулировочный винт 7 фиксируется колпачком 8 через медную прокладку 6. Нижняя часть клапана 3 образует запорный элемент первого каскада по конической притертой фаске.

При превышении в системе давления настройки (полости а и г) вначале открывается клапан первого каскада 3 под действием жидкости, поступающей из напорной полости а через нижний запорный орган 15, на индикаторный стержень 14. Стержень 14 упирается в клапан 3 под действием пружины с малой жесткостью 2. Малая рабочая площадь индикаторного стержня позволяет применять данный клапан при высоком давлении с усилием пружины 10, не превышающем 50 - 60 кгс. Пружина 10 установлена в корпусе 9, который фиксируется гайкой 17. При открытии клапана 3 срабатывает перепад давлений жидкости на автоматическом дросселе и дросселируемая жидкость из надклапанной полости г по трем осевым каналам Д в запорном органе 15, полостям е и ж поступает в полость слива з.

В результате образующегося перепада давления жидкости между полостями а и г основной клапан 15 открывается и, преодолевая усилие пружиной малой жесткости 13, соединяет напорную магистраль а со сливной полостью з. При этом давление в системе понижается установившегося слива. В табл. 4 представлены параметры предохранительных клапанов типа МСБ.

Таблица 4

Параметры клапана

Маркировка клапанов

МСБ-31

МСБ-32

МСБ-33

Наибольший расход, л/мин	18	35	70
Наименьший расход, л/мин	2	3	3
Максимальное рабочее давление, кгс/см²	320
Минимальное рабочее давление, кгс/см²	5
Перепад давлений в диапазоне изменений рабочего давления от максимального до минимального, кгс/см²	5
Максимальное превышение давления над номинальным значением при резком изменении расхода, %	10

Конструкция разрывных предохранительных устройств.

Широкое распространение находят разрывные предохранительные устройства (РПУ). Они применяются в установках, если требуется быстрое снижение давления в пневмо- или гидросистеме или для защиты оборудования, рабочих зон с повышенной взрывоопасностью. Для РПУ характерна простота конструкции, герметичность, быстродействие, высокая надежность, низкая стоимость.

На рис. 10 представлена конструкция мембранного предохранительного клапана (МПК). При повышении давления рабочей среды сильфон 2, закрепленный в корпусе 4, сжимается, а мембрана 3 перемещается, сближаясь с трубчатым пуансоном 1, при давлении настройки касается его. При дальнейшем повышении давления в системе мембрана прорезается трубчатым пуансоном, и жидкость сбрасывается из системы.

Рис.11. Предохранительное устройство с разрывным стержнем

На рис. 11 представлена конструкция предохранительного устройства с разрывным стержнем. В корпусе 1 размещен подвижный поршень 2 с разрывным стержнем 3, имеющим калиброванное ослабленное сечение 4.Поршень уплотнен фторопластовой манжетой 5. Шток поршня 2 расположен со стороны, противоположной разрывному стержню, в направляющем отверстии укрепленной в корпусе приставки 6, имеющей по периферии окна для сбора давления. Площадь калиброванного ослабленного сечения стержня рассчитана так, что по прочности она выдерживает нагрузку от расчётного давления среды, действующей на поршень. При превышении давления выше давления настройки происходит разрыв стержня по сечению 4. При этом поршень перемещается по направлению действия давления до упора в проставку 6 и освобождает проход газа из системы.

На рисунке 12 представлена конструкция сильфонного предохранительного устройства. В корпусе 1 клапана перемещается в осевом направлении шток 4, подпружиненный тарельчатыми пружинами 2 и уплотненный сильфоном 3. В торец штока ввёрнута втулка 5, связанная с разрывным стержнем 6.

Если давление на входе в клапан превышает давление настройки, сильфон сжимается, перемещая шток с ввернутой в его торец втулкой. Втулка разрушает стержень 6 по ослабленному сечению, и рабочая среда поступает к выходу канала.

Мембраны, применяемые в МПК, изготавливаются из чугуна, графита, эбонита, поливинилхлорида и других материалов.

Рис. 13. Зависимость чувствительности предохранительных клапанов от давления

Рис. 12. Предохранительный

клапан с герметизирующим

элементом и разрывным

центром

Часть 2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ

Методика подбора предохранительных клапанов

Подбор предохранительных клапанов для гидропневмосистем проводится согласно правилам Госгортехнадзора, основные требования которых состоят в следующем.

При установке предохранительных клапанов в сосудах давления их количество, размеры и пропускная способность должны быть выбраны таким образом, чтобы в сосуде не могло образоваться давление, превышающее рабочее давление более чем на 0,5 кгс/см² для сосудов с давлением до 3 кгс/см²; на 15 % - для сосудов с давлением 3-60 кгс/см² и на 10 % - для сосудов с давлением свыше 60 кгс/см²; при работающих предохранительных клапанах допускается превышение давления в сосуде не более чем на 25 % рабочего, при условии, что это превышение предусмотрено проектом и отражено в паспорте сосуда. Так же учитывается зависимость чувствительности предохранительных клапанов от давления (рис. 13).

Пропускная способность предохранительного клапана определяется по формуле:

G = 0,00014·a·F_кл·B, кг/с,

где а - коэффициент расхода жидкости, проходящей через клапан,

определяется экспериментально для каждой конструкции клапана

и записывается в его паспорт;

F_кл - площадь сечения клапана, равная наименьшей площади сечения в

проточной части клапана (дросселирующее сечение), мм²;

Р₁ - максимальное избыточное давление перед предохранительным

клапаном, кгс/см²;

Таблица 5

Р₂/Р₁

Коэффициент В при значении показателя адиабаты

1	1,135	1,24	1,3	1,4	1,66	2	2,5	3	4	6	10

0	0,429	0,449	0,464	0,472	0,484	0,513	0,544	0,582	0,612	0,659	0,721	0,789
0,08	0,447	0,469	0,484	0,492	0,505	0,535	0,568	0,607	0,639	0,687	0,752	0,823
0,16	0,486	0,490	0,506	0,515	0,528	0,559	0,594	0,635	0,668	0,719	0,786	0,861
0,24	0,492	0,515	0,546	0,541	0,555	0,588	0,624	0,668	0,702	0,756	0,826	0,891
0,32	0.520	0,545	0,563	0,572	0,587	0,622	0,660	0,706	0,743	0,798	0,860	0,913
0,40	0,553	0,580	0,598	0,609	0,625	0,662	0,702	0,751	0,788	0,836	0,887	0,931
0,48	0,594	0,648	0,643	0,654	0,671	0,711	0,753	0,797	0,827	0,867	0,909	0,944
0,52	0,619	0,662	0,669	0,681	0,699	0,739	0,777	0,818	0,845	0,881	0,919	0,950
0,56	0,646	0,677	0,699	0,711	0,729	0,765	0,800	0,837	0,862	0,894	0,928	0,956
0,60	0,678	0,710	0,730	0,741	0,757	0,790	0,822	0,855	0,878	0,906	0,936	0,962
0,64	0,712	0,742	0,760	0,770	0,875	0,814	0,843	0,873	0,893	0,918	0,944	0,967
0,68	0,748	0,773	0,790	0,798	0,811	0,838	0,863	0,889	0,907	0,929	0,952	0,971
0,76	0,812	0,833	0,846	0,852	0,862	0,882	0,901	0,920	0,933	0,949	0,966	0,979
0,84	0,877	0,891	0,899	0,904	0,910	0,924	0,936	0,949	0,957	0,968	0,978	0,987
0,92	0,939	0,946	0,951	0,953	0,956	0,963	0,969	0,975	0,979	0,984	0,990	0,994
1,00	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000

Р₂ - избыточное давление за предохранительным клапаном, кгс/см²;

- плотность рабочей среды при давлении и температуре рабочей

среды перед клапаном, кг/см³;

В - коэффициент, определяемый в зависимости от показателя адиабатности процесса. Для жидкости В=1.

Значения коэффициента В для воздуха в зависимости от показателя адиабаты приведены в таблице 5.

При заданном массовом приходе газа или жидкости в систему формула (1) позволяет определить требуемое проходное сечение клапана F_кл, а затем при известных давлениях Р₁и Р₂ выбрать типоразмер предохранительного клапана,

При изготовлении седла и замыкающего органа предохранительных клапанов необходимо использовать стойкие к коррозии и эрозии различные сорта нержавеющей стали. Высокую коррозионную стойкость имеет фторопласт. При больших удельных давлениях на замыкающий орган клапана наносят тонкий слой из твердых сплавов селлита и сормайта. Ресурс работы предохранительных клапанов зависит от упругих свойств материала седла и замыкающего органа. Этому требованию хорошо удовлетворяют некоторые сорта нержавеющей стали, эбонит и т.п.

Расчет времени срабатывания предохранительных клапанов

Расчет времени срабатывания предохранительных клапанов основан на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в клапане при его открытии. Принимая движение замыкающего органа равноускоренным с нулевой начальной скоростью, время открытия клапана можно определить по формуле

t₁=,

где m_кл- масса замыкающего органа с присоединенными деталями, кг;

H_max- максимальный ход замыкающего органа, см;

F_кл- площадь проходного сечения клапана, см²;

R - суммарная сила сопротивления движению замыкающего органа, кгс;

Р_н - давление настройки, кгс/см².

Для практических расчетов принимают:

(Р_н- Р₂)·F_кл- R=·F_кл,

причем меньшее значение относится к клапанам, для которых характерны повышенные силы сопротивления, например в клапанах с золотниками. Расчет времени срабатывания предохранительного клапана необходимо выполнять при его установке в системах, где возможно резкое повышение давления, например при сжигании твердых топлив в закрытых сосудах, а также при работе насосов большой производительности в составе гидросистем.

При работе насоса пик давления в гидросистеме возникать не будет при условии t₁t₂, где t₂-время, за которое насос поднимает давление в гидросистеме на величину , равную чувствительности предохранительного клапана. Время t₂ приближенно можно определить по формуле

где V₀ - объем предохранительной емкости, м³;

- коэффициент податливости системы;

Q - секундный расход жидкости от насоса в систему, м³/с,

Q_кл- секундный расход жидкости через предохранительный клапан в момент открытия замыкающего органа. В расчетах принимают

Q_кл= 0,5q

Q_V₀- часть секундного расхода жидкости, идущая на заполнение объема, освобождаемого при подъеме замыкающего органа. Обычно в расчетах принимают Q_V₀=0.

Расчет предохранительного клапана на герметичность

Проблема герметичности предохранительных клапанов является наиболее острой при их эксплуатации. Для обеспечения герметичности клапана его замыкающий орган необходимо прижать к седлу силой F₀, причем

F₀f_c·q_герм,

где f_c - площадь поверхности контакта замыкающего органа с седлом,

см²;

q_герм- удельное давление на поверхность седла, гарантирующее герметичность, кгс/м².

В таблице 6 представлены формулы для определения q_герм при давлении на входе в предохранительный клапан р800 кгс/см² в зависимости от ширины В уплотняющей поверхности в месте контакта седла, клапана и материала.

Таблица 6

Материал

Сталь и твердые сплавы

Чугун,бронза,

латуни

Алюминиевые сплавы,

полиэтилен,

винипласт

Резины средней твердости,

полихлорвинил,пластик

Расчетная формула

Герметичность клапана рассчитывается для режима работы на перепаде давления на замыкающем органе, равном Р- Р₂.

Расчет предохранительных мембранных устройств

Давление настройки МПК, при котором разрушается мембрана, определяется по формуле:

P_н=K·₀·,

где Р_н - давление настройки, обычно

Р_н=1,25·Ркгс/см²;

К - эмпирический коэффициент, значение которого зависит от материала мембраны. Для меди К=3,2; для стали К=4,2;

- предел прочности на растяжение материала мембраны, кгс/см²;

h - толщина мембраны, см;

D - диаметр мембраны, см.

Оптимальные соотношения параметров Р_н , h и D приведены в работе.

Расход рабочей среды через МПК после разрушения мембраны определяется в соответствии с правилами Госгортехнадзора по формуле

G =·F_МПК·E·P₁, кг/с,

где F_МПК - площадь проходного сечения, см²;

- коэффициент расхода проходного сечения,определяется по данным работы;

Е - коэффициент, учитывающий расширение газов, определяется по данным работ;

М -молекулярный вес газов или паров, проходящих через МПК;

К₁=-коэффициент сжимаемости газа;

R -газовая постоянная ;

V -удельный объем;

g -ускорение свободного падения.

Расчет расхода рабочей среды справедлив в области докритических истечений газов из МПК, т.е. при

;

где Р_кр и Т_кр- критические параметры состояния газов, представленные в таблице 7.

Таблица 7.

Газ	Т_кр, К	Газ	Т_кр, К
Азот	126	Кислород	154
Ацетилен	309	Окись углерода	134
Водород	33	Пропан	370
Водяной пар	647	Хлор	417
Воздух	132	Этилен	283

Для смеси газов критические параметры определяются по формулам:

Р_кр=

Т_кр=

где r - объемная доля i-го компонента.

Часть 3 .ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ

КЛАПАНОВ

Каждый предохранительный клапан требует проведения комплекса испытаний для определения его соответствия заданным параметрам. При создании нового или при видоизменении конструкции существующего клапана он должен выдержать ряд всесторонних проверок как автономных, так и при работе в пневмогидросистеме, для которой он проектировался.

Испытания предохранительных клапанов на быстродействие.

Для определения динамических характеристик предохранительных клапанов проводят испытания на быстродействие, в процессе которых находят время открытия и ход замыкающего органа клапана.

Результаты испытаний на быстродействие показывают, что время открытия клапанов обычно составляет 5-15 мс при средней скорости движения замыкающего органа от 10 до 30 см/с. Наибольшим быстродействием из всех клапанов прямого действия обладает шариковый клапан, который срабатывает за 6 мс, конический клапан открывается за 8 мс.

Испытания клапанов на герметичность.

Герметичность серийно выпускаемых предохранительных клапанов достигается за счет тщательного изготовления и последующей доводки. Большинство серийных клапанов имеют допустимые утечки рабочей среды в диапазоне значений от 10 до 200 см³/мин.

Экспериментальное исследование герметичности проводят при полностью закрытом предохранительном клапане. На рис.14 представлены результаты испытаний по определению герметичности предохранительных клапанов в виде зависимости величины утечки через клапан от давления среды перед ним. Видно, что увеличение давления настройки вызывает увеличение утечек.

После проведения комплекса измерений каждый клапан маркируют в соответствии с ГОСТом. На корпусе клапана должны быть указаны: товарный знак завода-изготовителя, рабочее давление, диаметр седла, стрелка, указывающая направление потока газа или жидкости. Пружины должны маркироваться номером клапана.

На каждый клапан ОТК завода-изготовителя составляет паспорт, в котором указывает марку завода-изготовителя, номер паспорта и дату его изготовления, наименование клапана, тип и оборудование, рабочее давление и противодавление, диаметр седла, эквивалентное проходное сечение.

Рис. 14. Зависимость величины утечки через предохранительный клапан от давления настройки.

Библиографический список

1. Гринберг, И.С. Классификация предохранительных клапанов / И.С. Гриндберг, И.Р. Кричкер // Химическое и нефтяное машиностроение.- 1974, № 10. - С. 12-15.

2. Кондратьева, Т.Ф. Предохранительные клапаны для компрессорных установок / Т.Ф.Кондратьева.-М.-Л. : Машиностроение, 1963.- 189 с.

3. Ольховский, Н.Е. Предохранительные мембраны / Н.Е. Ольховский. - М. : Химия, 1976.- 149, с.

4. Панов, Ю.Г. Справочник по охране труда. В 2т. Т2. Общезаводское оборудование /Ю.Г. Панов, Б.И. Соленов. - Л.: Судостроение, 1974.- 582, с.

5. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. - М.: Металлургия, 1976.- 104, с.

6. Ситников, Б.Т. Расчет и исследование предохранительных и переливных клапанов/ Б.Т. Ситникова, И.Б. Матвеев.- М. : Машиностроение, 1972.- 127 с.

7. Тарасьев, Ю.И. О классификации конструкций предохранительных клапанов/ Ю.И. Тарасьев, В.А. Кузин // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1968, № 10.- с. 31-33.