CC BY
13
УДК 681.5:62-5 (66.011)
Жежера Н. И.
Профессор, доктор технических наук Оренбургский государственный университет
ВЛИЯНИЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА ФАСКИ СЕДЛА НА РАБОТУ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА
Аннотация
Экспериментальными исследованиями предохранительных клапанов гидравлических систем, поступающие в ремонт, установлено, что фаски седел имеют существенные эксцентриситеты. В статье приводится теоретический анализ влияния эксцентриситета фаски седла на работу предохранительного клапана. Установлено, что наличие эксцентриситета фаски седла приводит с одной стороны к понижению давления начала открытия клапана по сравнению с давлением его настройки. Это значительно увеличивает утечки жидкости через клапан при номинальном давлении. С другой стороны эксцентриситет фаски является причиной повышения давления в системе при полностью открытом клапане.
Ключевые слова: предохранительный клапан, седло, эксцентриситет, давление.
Keywords: pressure relief valve, saddle, eccentricity, pressure.
В гидравлических системах автоматизации и управления технологическими процессами или автономными объектами применяются предохранительные клапаны прямого или непрямого действия. На рисунке 1 приведена схема предохранительного клапана непрямого действия, в который входит перепускной клапан и предохранительный клапан прямого действия.
перепускной клапан: 1 - затвор перепускного клапана с поршнем 4, 2 -седло, 3 - канал подвода рабочей жидкости в клапан под рабочим давлением от гидросистемы, 5 - пружина, 6 - направляющая втулка, 7 - крышка перепускного клапана
предохранительный клапан прямого действия: 8 - седло, 9 - затвор шаровой, 10 - держатель затвора, 11 - пружина, 12 - регулировочный стакан, 13 - канал отвода рабочей жидкости в сливную магистраль при срабатывании предохранительного и перепускного клапанов
Рис. 1. Предохранительный клапан непрямого действия гидравлических систем автоматизации и управления
Важнейшими недостатками в работе предохранительных клапанов гидравлических систем являются изменение первоначальной настройки и увеличение утечек рабочей жидкости.
В процессе обследования предохранительных клапанов прямого действия с шаровым затвором 9 (рисунок 1) гидравлических систем, поступающих на ремонт по причине существенных изменений настроек или утечек рабочей жидкости, установлены значительные неравномерности ширины фасок седел по их окружностям, то есть наличие эксцентриситета по ширине фасок седел в сопряжениях затвор-седло (рисунок 2) [1; 2; 3, 90; 4, 146] .
Ширина фаски седел предохранительных клапанов прямого действия с шаровым затвором 5ф, поступивших на ремонт, измерялась в восьми сечениях (рисунок 3) с помощью большого инструментального микроскопа типа БМИ по ГОСТ 8074- 76 с точностью измерения ± 0,005 мм. Таким образом, ширина фаски седла измерялась по горизонтальной оси при наведении визирной линии микроскопа от одного края фаски до другого, то есть как проекция ширины фаски на горизонтальную ось.
Рис. 2. Седло предохранительного клапана прямого действия с эксцентриситетом (увеличение 15х)
Данные измерений ширины фаски по восьми сечениям для каждого седла клапана делились на две части путем группирования четырех рядом стоящих наибольших и четырех меньших значений. По данным этих групп определяется среднеарифметическое большее Бб, мкм, и меньшее мкм, значение ширины фаски седла.
На рисунке 4 приведена схема контакта шарового затвора предохранительного клапана с седлом при наличии эксцентриситета уплотнительных поверхностей. В общем виде на затвор 1 клапан действуют сила пружины Ипр, Н, и равнодействующая сила от давления рабочей жидкости Иж, Н.
Рис. 3. Распределение ширины фаски седла по 8 сечениям предохранительных клапанов прямого действия, поступивших в ремонт
Когда Иж < Ипр, тогда клапан находится в закрытом состоянии. Когда > Ипр, клапан открывается и находится в открытом положении. Однако последнее неравенство справедливо для случая приложения сил Иж и Ипр по одной вертикальной оси, проходящей через центр шарового затвора. Наличие эксцентриситета уплотнительных поверхностей клапана приводит к
смещению точки приложения силы Ипр относительно силы Иж на значение 0102; из точки О, где располагался центр шарового затвора при новых деталях сопряжения клапан-седло, в точку 01, в которой находится центр шарового затвора изношенных деталей сопряжения клапан-седло.
Рис. 4. Схема контакта шарового затвора с седлом предохранительного клапана при наличии эксцентриситета по ширине фаски седла
На рисунке 4 эксцентриситет также обозначен как С1С2 и С3С4 то есть 0102 = С1С2 = С3С4. С другой стороны, значение эксцентриситета представляет разность двух проекций ширины фаски седла большей Бб и меньшей Бм, которые на рисунке 4 представлены прямыми А1А2 и В1В2, то есть
О1О2 = С1С2 = С3С4 = ^б - 5м = А1А2 - В1В2
(1)
Приложенная пара сил к затвору клапана приводит к тому, что он может начать открываться не при расчетном давлении, а при некотором фактическом давлении Рф1 в гидравлической системе, которое меньше расчетного
давления Рр начала открытия клапана.
Предохранительный клапан начнет открываться тогда, когда вертикальная составляющая Я1В реакции ЯВ (рисунок 4) будет равна нулю. Для этого случая сумма моментов сил относительно точки А3 равна
МПр • А3С3 - Мж (А3С3 + С1С2) = 0, (2)
где А3С3 - расстояние от точки приложения реакции ЯА в точке А3 до плоскости, проходящей через осевую линию шарового затвора, м; С1С2 - эксцентриситет приложения сил ЯА и ЯБ относительно принятого центра сил, м.
Значение А3С3 определяется по выражению (рисунок 4)
Аз Сз = 4т - С 1С2 + ^ = Т + ^ - 5б + 5м =
= ^ - 5Т + 8 м . (3)
где dc - диаметр седла клапана, мм.
В выражении (2) силы Ипр и Иж заменим через давления и площади поперечного сечения действия рабочей жидкости на затвор клапана
п И 2 п и2
Рр • ^• А3С3 - Рф 1 • ^(АзС3 + СХС2 )= 0
и определяем
Р
ф 1
Р р • А 3 С
Р
33
а с 5 б , о 0 0 + 5 м V 2_2_У
(А 3 С 3 + С! С 2 )
и „ 5
б
22
+ 5 м + 5 б 5
Рр (йс - 5 б + 2 5 м )
Ис + 5
(4)
Если, например, диаметр седла предохранительного клапана равен 4
'у
мм, расчетное давление Рр = 10 МПа (100 кгс/см ) , ширина фаски седла = 0,4 мм и Бм = 0,2 мм, тогда
= 10,0(4,0 - 0,4 + 0,4) = 9
ф1
4, 0 + 0, 4
2
и клапан начнет открываться не при давлении 10 МПа (100 кгс/см ), а при
давлении 9,09 МПа (90,9 кгс/см2).
Для момента полного открытия предохранительного клапана составим
следующее соотношение при рассмотрении сил относительно точки В2 (ри-
сунок 4)
N
ж
Ис + 5 м
2 2
= N
пр
И с , 5 м , о о
+ _+ 5 6 - 5 м
б
Заменяя в этом выражении силы Nж и Nпр через произведения давления на площадь поперечного сечения действия рабочей жидкости, получим
пd2c ( 5 Л
ф 2
4
V
с + ^ м 2 2
_ Р ( ^ 5
" Р ' 4 V
с | м , о _ о + + 5 б 5 м
22
или
d,
Рф 2 _ Л
2 2
5 л
м + 5
б
у
^ 5
Р
с , ^ м
+
22
^с _ 5 м + 2 5 б )
^с + 5 м )
(5)
Например, если диаметр седла предохранительного клапана равен 4
'у
мм, расчетное давление Рр = 10 МПа (100 кгс/см ), ширина фаски седла Бб =0,4 мм и 5 м = 0,2 мм, тогда
Рф 2 _ ю ,0 (±_02±°?) _ 10,95
ф 2 (4 + 0,2)
о
и клапан полностью откроется не при 10 МПа (100 кгс/см ), а при 10,95 МПа (109,5 кгс/см2).
Уравнение (4) представим в следующем виде
Р _ к Р
1 ф1 Лпониж .давл1 р
(6)
где кпониж давл. - коэффициент понижения давления начала открытия
предохранительного клапана с эксцентриситетом уплотнительных поверхностей, определяемый по выражению
1пониж .давл
(Ис - 5 б + 2 5 м)
Ис + 5,
(7)
б
Формулу (5) запишем в виде Рф 2 = к
= к Р
ф 2 Лповыш .давл1 р
(8)
где кповыш давл - коэффициент повышения давления для полного отрыва предохранительного клапана от седла, определяемый по выражению
^ повыш . давл
= (Ис - 5м + 2 5 б ) (Ис + 5 м )
(9)
На рисунке 5 приведена зависимость коэффициента понижения давления кпониж давл от эксцентриситета Эф уплотнительных поверхностей предохранительного клапана.
О 2
Рис. 5. Зависимость коэффициента понижения давления начала открытия предохранительного клапана от эксцентриситета уплотнительных поверхностей
График на рисунке 5 построен по формуле (7). Максимальное значение коэффициента кповыш давл равно единице при эксцентриситете уплот-нительных поверхностей Эф = 0. Увеличение эксцентриситета, например, до 0,5 мм уменьшает значение коэффициента кповыш давл до 0,78. В этом случае, согласно уравнению (6), предохранительный клапан начнет открываться при давлении в гидросистеме, равном 7,8 МПа (78 кгс/см ), а не при расчетном давлении 10,0 МПа (100 кгс/см ), На рисунке 6 приведена зависимость коэффициента повышения давления кповыш давл для полного открытия клапана в зависимости от эксцентриситета Эф.
]г
повыш.давл 1,32
1,24 1,16
1,08 1,00
0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 ^
Рис. 6. Зависимость коэффициента повышения давления от эксцентриситета в сопряжении предохранительный клапан - седло
Прямая на этом рисунке построена по формуле (9). Минимальное значение кповыш давл =1 при эксцентриситете фаски седла, равной нулю. Уве-
личение эксцентриситета фаски седла приводит к росту коэффициента кповыш .давл . Например, при Эф = 0,5 согласно формуле (8) клапан полностью отойдет от седла диаметром 4 мм только при давлении в гидросистеме 12,5 МПа. В интервале давлений от расчетного, равного 10 МПа, до 12,5 МПа клапан будет одной какой-то частью соприкасаться с седлом.
Теоретические положения о существенном влиянии эксцентриситета фаски седла предохранительных клапанов подтверждены экспериментальными данными. На рисунке 7 приведены графики утечек жидкости [7, 47] через предохранительный клапан в зависимости от давления для различных эксцентриситетов фаски седла.
О*.
10 и3 /с 200 Г~
Рис. 7. Зависимость утечек рабочей жидкости через предохранительный клапан в зависимости от давления в гидравлической системе и эксцентриситета фаски седла (кривые 1-4 соответствуют эксцентриситетам 0,00; 0,15; 0,34; 0,76 мм)
Эксцентриситет фаски седла клапана специально формировался перед установкой седла в предохранительный клапан гидравлической системы. Кривая 1 (рисунок 7) относится к предохранительному клапану, фаска седла которого была острой и эксцентриситет близок к нулю.
Кривые 2, 3 и 4 получены при исследовании клапанов, эксцентриситет фаски седла которых был равным: 0,15; 0,34 и 0,76 мм [5, 56; 6, 82]. Из полученных данных видно, что увеличение эксцентриситета фаски седла уменьшает наклон кривых утечек жидкости, существенно увеличивая утечки рабочей жидкости через предохранительный клапан.
Таким образом, проведен теоретический анализ влияния эксцентриситета фаски седла на работу предохранительного клапана. Установлено, что наличие эксцентриситета фаски седла приводит с одной стороны к понижению давления начала открытия клапана по сравнению с давлением его настройки. Это значительно увеличивает утечки жидкости через клапан при номинальном давлении. С другой стороны эксцентриситет фаски является причиной повышения давления в системе при полностью открытом клапане.
Литература
1. Жежера Н. И. Развитие теории и совершенствование автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность: дис. д-ра техн. наук: 05.13.06. - Оренбург : ОГУ, 2004. - 441 с.
2. Жежера Н. И. Исследование предохранительных и перепускных клапанов гидравлических систем автоматизации и управления : моногр. -Оренбург : ГОУ ОГУ, 2007. - 166 с.
3. Жежера Н. И. Ввод сигнала по производной от входного давления в предохранительном клапане с серводействием // Вестник Оренбургского государственного университета. - Оренбург : ОГУ. - 2000. - №3. - С. 90-94.
4. Жежера Н. И. Давление рабочей жидкости в щелях с криволинейными стенками регулирующих клапанов систем автоматизации и управле-
ния // Вестник Оренбургского государственного университета. - Оренбург : ОГУ. - 2001. - №1. - С.146-150.
5. Жежера Н.И. Утечки жидкости из вибрируемых изделий, испытываемых на герметичность // Альманах современной науки и образования. 2012. № 5. С. 56-60.
6. Жежера Н. И., Абубакиров Д. Р. Испытания с вибрацией изделий на герметичность жидкостью устройством с горизонтальной трубкой // Законодательная и прикладная метрология. - М.: - 2007. - № 3. - С. 82-84.
7. Жежера Н. И., Самойлов Н. Г. Теоретические положения к устройству измерения динамической составляющей расхода газа // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2012. - №4 (39). - С. 47-50.
