Втрати на тертя в гвинтових передачах трубопровідної арматури

Сили тертя в трубопровідної арматури можуть досягати великих значень і повинні враховуватися при проведенні розрахунку арматури і оцінці зусиль, необхідних для ручного або механічного управління трубопровідною арматурою.

Особливе значення сили тертя набувають при роботі автоматично діючої арматури, де прикладені зусилля приводів строго розраховані.

Облік сил тертя може здійснюватися двома методами: безпосереднім підрахунком величини сил тертя, що діють в даному вузлі, і введенням коефіцієнта корисної дії ККД, який являє собою відношення роботи отриманої до роботи витраченої.

У механізмах управління арматурою використовуються різні передачі: гвинтова, зубчаста, черв’ячна, ланцюгова та ін.

Силовий розрахунок необхідно проводити з урахуванням умов роботи передач в арматурі. Гвинтова передача зазвичай розглядається як перетворена похила площина. Розгорнемо кручену лінію різьблення шпинделя на площину і уявимо гайку у вигляді вантажу А, переміщуваного по похилій площині, утвореної розгорнутою гвинтовою лінією (мал. 1).

В роботі передачі слід розрізняти два випадки:
1) гвинт (або гайка) переміщується в бік, протилежний напрямку дії сил опору, що має місце при закриванні вентиля, коли середовище діє «під клапан», і при закриванні засувок незалежно від напрямку руху середовища;
2) гвинт (або гайка) переміщується в ту ж сторону, куди направлено зусилля, що відбувається при відкриванні вентиля, коли середовище діє «під клапан».

Уявімо осьове зусилля Q0, передане гайкою, прикладеним до різьби шпинделем в точці М на середньому діаметрі різьблення dcp (мал. 1), і розглянемо взаємодію всіх сил, прикладених до шпинделя і приведених до цього місця.

У точці М зусилля Q0 викликає поява реакції N і сили тертя Т = μN, де μ – коефіцієнт тертя. Сили N і Т можна замінити їх рівнодіючою R, нахиленою до осі шпинделя під кутом α + ρ, де α – кут підйому гвинтової лінії різьби шпинделя, ρ – кут тертя, який визначається з умови tgρ = μ.

До точки М слід докласти зусилля Qd, створюване моментом, прикладеним до маховика при ручному управлінні арматурою або до шестерні при наявності електроприводу. Таким чином, слід вважати, що до точки М прикладені три сили: осьове зусилля Q0, реакція шпинделя R з урахуванням дії сили тертя і окружне зусилля Qd.

При рівномірному обертанні гвинта трикутник сил, утворений цими силами, повинен бути замкнутий (рис. 2, а). З трикутника сил видно, що Qd = Q0 tg (α + ρ) кгс, а момент на шпинделі, необхідний для закривання затвора, має величину M0 = Q0 (dcp / 2) tg (α + ρ) в кгс см, де – ( dcp / 2) tg (α + ρ) = L – умовне плече моменту згідно ГОСТ 9484.

У другому випадку при відкриванні вентиля, середа яка діє «під клапан», зусилля Q0 зберігає напрямок, а напрямок дії сили тертя зміниться на протилежне, так як шпиндель обертатиметься в зворотну сторону. Відповідно до цього трикутник сил матиме інший вигляд (мал. 2, б), а величина окружного зусилля виразиться формулою Qd = Q0 tg (α – ρ) кгс. <> Br / За умов самозупинення, коли ρ> α, напрямок окружного зусилля зміниться на протилежне (мал. 2, в), і, прийнявши цей напрямок позитивним, можна уявити зусилля Qd у вигляді Qd = Q0 tg (ρ – α) кгс. <> br / Момент на шпинделі для цього випадку M0 = Q0 ( dcp / 2) tg (ρ – α) в кгс см.

Орієнтовні значення коефіцієнтів тертя при русі для розрахунків різьбових з’єднань арматури наведені в табл. 1.
Таблиця 1 – Величини коефіцієнтів тертя в різьбі μ для сталевих шпинделів, що застосовуються при силовому розрахунку арматури

При рушанні з місця розрахунки арматури можуть проводитися із застосуванням коефіцієнта тертя, наближено рівного μ ‘= μ + 0,1.
В арматурі, що працює на трубопроводах перегрітої пари високих і надвисоких параметрів, різьбова пара шпіндель- гайка також нагрівається, в зв’язку з чим зменшується зазор в різьбі і збільшується коефіцієнт тертя. При температурах нарізного сполучення понад 200 ° С зазор в різьбовій парі шпиндель-гайка повинен бути збільшений в порівнянні з нормальним зазором, щоб уникнути заїдання різьби.
Деякі значення коефіцієнта тертя при підвищених температурах (при сухому терті) наведені в табл. 2.

При рушанні з місця коефіцієнт сухого тертя збільшується на 30%. У цьому випадку значення, наведені в табл. 2, слід помножити на 1,3.
Таблиця 2 – Найбільші значення коефіцієнта сухого тертя μ для деяких матеріалів при різних температурах