клапан. Введение 1 Трубопроводная арматура, её применение

• Название: Введение 1 Трубопроводная арматура, её применение
• Анкор: клапан
• Дата: 10.12.2022
• Размер: 3.25 Mb.
• Имя файла: Klapan_zaporny_1.doc
• Тип: Реферат; #837568
• страница: 5 из 7

3. Задание и вычисление нагрузок

Силовой расчет служит для определения усилий и моментов, необходимых для управления арматурой: сил сопротивлений, возникающих в различных элементах арматуры при управлении ею (трение в сальниках, трение на уплотняющих кольцах, трение в сопряжениях привода и т. д.), усилий вдоль шпинделя задвижки или вентиля, усилий на маховике, необходимых для управления задвижкой или вентилем как при ручном управлении, так и при наличии электроприводов. Силовым расчетом также определяются: характеристики пружин предохранительных клапанов, регулирующих клапанов и других устройств, размеры мембран в приводах регулирующих клапанов, размеры рычагов, величины грузов их расположение в регулирующих и предохранительных клапанах и так далее.

3.1 Определение усилий вдоль шпинделя

Определение усилия вдоль шпинделя при закрытии клапана и крутящего момента на шпинделе. Значения условных плеч момента в резьбе L_p и в бурте L_b, крутящего момента, необходимого для управления клапаном, и максимальных крутящих моментов, которые могут возникнуть на электроприводе и на рукоятке, приняты по ЗТ 26161-025 РР «Клапан сильфонный запорный. Расчет силовой» (подпункты 2.11 и 2.12).

Значения усилий вдоль шпинделя при закрывании Q₀ и крутящих моментов М_шп определяются ниже для режимов НЭ и ННЭ.

Исходные данные:

Электропривод AUMA SA 07.1/SAI 07.1.

Крутящий момент М_кр для двух режимов:

НЭ (нормальные условия эксплуатации) - 17·10³ Н·мм;

ННЭ (нарушение нормальных условий эксплуатаций) - 30·10³ Н·мм;

условное плечо момента в резьбе L_p=1.282 мм;

условное плечо момента в бурте L_b=2.86 мм;

Результаты расчета:

Усилие вдоль шпинделя при закрывании:

_{   }

Крутящий момент на шпинделе:

_{ }

Принятое усилие вдоль шпинделя и соответствующий крутящий момент:

НЭ Q=4104 Н, М_шп=5262 Н·мм;

ННЭ Q=7243 Н, М_шп=9285 Н·мм.

3.2 Расчет уплотнения

Среди соединений деталей арматуры имеется особая группа соединений, к которым помимо обычных требований, предъявляемых ко всем соединениям в отношении прочности, жесткости, долговечности и т. д., предъявляются еще требования, имеющие специфический характер. Они заключаются в том, что между соприкасающимися поверхностями деталей, образующих сопряжение, не должна проходить жидкая или газовая среда, находящаяся обычно под давлением. Такие соединения называются плотными или герметичными (абсолютно плотные с непроницаемой стенкой).

Задачей расчета является:

- определение необходимого усилия затяга втулки сильфонной Q0w;

- определение усилий, действующих на втулку в режимах НЭ и гидроиспытаний;

-оценка герметичности и прочности уплотнения;

-определение необходимого крутящего момента на втулке сильфонной Мкр, обеспечивающего герметичность соединения.

Расчет выполнен по методике, приведенной в разделе 3 Приложения 5 Норм АЭУ.

Удельное давление при обжатии q₀ и прокладочный коэффициент m приняты по таблице 5.6 Приложения 5 Норм АЭУ.

Коэффициент нагрузки χ принят по таблице 3.1.
Таблица 3.1

Значения коэффициента χ

Расчетная температура, °С	20	200	300
χ	1,0	1,5	2,0

Величины действующего давления среды: Р_р=2,25 МПа, Р_h=3,8 МПа.

Коэффициенты трения в резьбе и бурте гайки приняты по СТ ЦКБА 057 2008 «Арматура трубопроводная. Коэффициенты трения в узлах арматуры».

Исходные данные, алгоритм и результаты расчета в Mathcad приводятся ниже.

Давление среды Р, МПа:

Температура среды t, ^оС :

_p:=2.25

_{t := 220}

Тип уплотнения: - прокладка ПГФ-Д-В-1,6-00-44х 34х 4-Л

- наружный диаметр прокладки

- внутренний диаметр прокладки

- средний диаметр

- ширина уплотнения

мм

- площадь поперечного сечения прокладки

Удельное давление, обеспечивающее герметичность в условиях эксплуатации q_p,МПа:

Удельное обжатие прокладки q, МПа:

Коэффициент нагрузки χ :

Усилие по шпинделю при закрытии Q₀, Н:

Необходимое усилие обжатия прокладки Qоб, Н:

Усилие, обеспечивающее герметичность в рабочих условиях Qg, Н:

Усилие от давления среды Qр, Н:

Усилие на прокладке при затяжке Q_0w, Н:

Усилие затяга втулки, Н:

- усилие при гидроиспытаниях

- усилие в рабочих условиях

Расчет усилий в прокладке:

- усилие при гидроиспытаниях, Н

- усилие в рабочих условиях, Н

- площадь прокладки, мм²

Удельное давление:

Условие герметичности соединения:

Расчет крутящего момента для затяга втулки:

- усилие затяга втулки

- наружный диаметр резьбы

- шаг резьбы

- средний диаметр резьбы

- коэффициент трения в резьбе

- коэффициент трения в бурте





- наружный и внутренний диаметры контакта уплотнения





Крутящий момент в резьбе Мр:

Крутящий момент в бурте Мб:

Необходимый момент затяга Мкр:

3.3 Расчет соединения «корпус-гайка»
Первой задачей расчета является определение необходимого усилия затяга гайки (переходника). Расчет выполняется в соответствии по Нормам АЭУ. Исходные данные, алгоритм и результаты расчета приведены ниже.



Второй задачей расчета является определение следующих величин:

-необходимого крутящего момента затяга гайки М_кр;

-величины напряжения среза (τ)_1W в резьбе гайки от механических нагрузок.

Условие прочности: (τ)_1W≤0.25R_p0.2,

где Rp_0.2 – по таблице 2.2.

4 Описание метода решения

Решение поставленных задач осуществлялось с помощью программного обеспечения ANSYS, работа которого основана на методе конечных элементов.

Метод конечных элементов (МКЭ) - основной метод решения современных задач механики деформируемого твердого тела, лежащий в основе подавляющего большинства современных программных комплексов, предназначенных для выполнения расчетов конструкций на ЭВМ.

Наибольшее распространение получил метод конечных элементов в перемещениях.

В методе МКЭ – по каждому конечному элементу в отдельности, что позволяет использовать аппроксимирующие функции более простого вида. В первом случае функционал полной потенциальной энергии варьируется по перемещениям в узлах сетки, что приводит к системе алгебраических уравнений метода перемещений с редко заполненной ленточной матрицей коэффициентов системы уравнений, что более эффективно.

Число независимых перемещений во всех узлах элемента определяет степень свободы КЭ. Степень свободы всей конструкции и соответственно порядок системы разрешающих уравнений определяется суммарным числом перемещений всех ее узлов. Поскольку основными неизвестными МКЭ в форме метода перемещений считаются узловые перемещения, степень свободы КЭ и всей конструкции в целом является чрезвычайно важным понятием в МКЭ. Понятия о степени свободы узла, КЭ и конструкции и степени их же кинематической неопределимости идентичны.

Метод невязок представляет собой наиболее общий подход к построению основных соотношений МКЭ. Суть метода взвешенных невязок заключается во введении некоторой невязки – отклонении приближенного аппроксимативного решения от точного решения дифференциальных уравнений для данной задачи. Чтобы получить «наилучшее» решение, необходимо минимизировать некоторый интеграл от невязок по расчетной области. Для повышения эффективности в подынтегральное выражение наряду с самой невязкой обычно вводится так называемая весовая функция, в этом случае метод называется методом взвешенных невязок. Выбор схемы минимизации и весовых функций определяет различные варианты метода невязок. Наиболее часто применяемые из них – это метод Галеркина, который приводит к тем же уравнениям, что и вариационный подход, а также метод наименьших квадратов.

Метод энергетического баланса (метод Одена) основан на балансе различных видов энергии, записанном в интегральной форме. Этот метод успешно применяется при решении нелинейных и динамических задач.

Из приведенных видов МКЭ в строительной механике особенно актуальны вариационный метод и метод взвешенных невязок Галеркина, которые для рассматриваемой задачи представляют собой два взаимно дополняющих метода одинаковой точности.

Формы МКЭ

В МКЭ, аналогично классическим методам строительной механики, за основные неизвестные могут приниматься величины разного типа: кинематические (перемещения, деформации), статические (внутренние силы, напряжения и др.) или смешанные кинематические и статические параметры. В зависимости от выбора узловых неизвестных различают три формы МКЭ: метод перемещений, метод сил и смешанный метод. С этой точки зрения МКЭ можно рассматривать как обобщение традиционных методов строительной механики стержневых систем применительно к расчету континуальных систем.

Метод перемещений – в настоящее время наиболее распространенная форма МКЭ. Это объясняется тем, что для заданной конструкции легче получить кинематически определимую основную систему метода перемещений, нежели статически определимую основную систему метода сил. Кроме того, матрица жесткости метода перемещений составляется без особых затруднений и, как правило, имеет разряженную или ленточную структуру.

В основе математической формулировки МКЭ в форме метода перемещений лежит вариационный принцип Лагранжа, т. е. принцип минимума потенциальной энергии системы. Основными неизвестными здесь являются перемещения узловых точек дискретной схемы, напряжения же вторичны и определяются путем численного дифференцирования перемещений.

К достоинствам метода относятся: простота реализации; удовлетворительные точность и устойчивость решения с гарантированной сходимостью к нижней границе. Минусы: точность определения напряжений намного ниже, чем перемещений, хотя именно значения напряжений важны при прочностных расчетах, к тому же поскольку приближенное решение отвечает нижней границе, то значения и перемещений, и напряжений оказываются заниженными.

Аппроксимация.

МКЭ относится к методам дискретного анализа. Сущность аппроксимации сплошной среды по МКЭ состоит в следующем:

1) рассматриваемая область разбивается на определенное число КЭ, семейство элементов по всей области называется системой или сеткой конечных элементов;

2) предполагается, что КЭ соединяются между собой в конечном числе точек – узлов, расположенных по контуру каждого из элементов;

3) искомые функции в пределах каждого КЭ (например, распределение перемещений, деформаций, напряжений и т. д.) с помощью аппроксимирующих функций выражаются через узловые значения, представляющие собой основные неизвестные МКЭ;

4) для анализа и расчета полученной системы конечных элементов действительны все принципы и методы, применяемые для любых дискретных систем.

 Аппроксимирующие функции.

Аппроксимация, как правило, дает приближенное, а не точное, описание действительного распределения искомых величин в элементе. Поэтому результаты расчета конструкции в общем случае также являются приближенными. Закономерно может быть поставлен вопрос о точности, устойчивости и сходимости решений, полученных МКЭ.

Под точностью понимается отклонение приближенного решения от точного или истинного решения. Устойчивость, прежде всего, определяется ростом ошибок при выполнении отдельных вычислительных операций. Неустойчивое решение является результатом неудачного выбора аппроксимирующих функций, «плохой» разбивки области на КЭ, некорректного представления граничных условий и т. п. Под сходимостью подразумевается постепенное приближение последовательных решений к предельному, по мере того как уточняются параметры дискретной модели, такие как размеры элементов, степень аппроксимирующих функций и т. п. В этом смысле понятие сходимости аналогично тому значению, которое оно имеет в обычных итерационных процессах. Таким образом, в сходящейся процедуре различие между последующими решениями уменьшается, стремясь в пределе к нулю. Перечисленные выше понятия иллюстрируются рисунком 3.1.

\

Рисунок 4.1 - График пояснения к сходимости решения МКЭ.