Конструкция, принцип действия и расчёт крана с плоским и коническим золотниками

ФГБОУ ВО "НИТУ", Кафедра «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», дисциплина: "Технологическое оборудование и основы конструирования", 2024

Исходные данные: Трубопроводная арматура представляет собой устройства для управления потоком рабочей среды в трубопроводах, аппаратах и технологических установках. По назначению различают запорную, регулирующую, предохранительную, обратную и распределительную арматуру. Рассматриваемые краны относятся к запорной арматуре.
Основное требование к запорному крану — надёжное перекрытие потока при закрытии. Дополнительно предъявляются требования к прочности, герметичности, долговечности, устойчивости к коррозии, ремонтопригодности и безопасности. Общие требования безопасности к трубопроводной арматуре установлены ГОСТ 12.2.063-2015 [1].
Кран имеет корпус с проходным каналом и поворотный запирающий орган. При открытии проходное отверстие золотника совмещается с каналом корпуса. При закрытии отверстие поворачивается и перекрывается стенкой корпуса или уплотняющей поверхностью.
- Номинальный диаметр (условный проход), DN: 50 мм;
- Номинальное рабочее давление, PN: 4,0 МПа (40 кгс/см²);
- Рабочая среда: техническая вода, светлые нефтепродукты;
- Диапазон температур рабочей среды: от -40 °C до +120 °C;
- Тип привода: ручной (механический).
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................7
1.НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КРАНОВ.................................9
1.1 Общие сведения о запорной арматуре...................................................................9
1.2 Назначение и принцип действия кранов................................................... ............9
1.3 Область применения кранов с золотниками............................................ ............ 10
2. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ КРАНА С ПЛОСКИМ ЗОЛОТНИКОМ...........11
2.1 Конструкция крана .................................................................................................11
2.2 Принцип работы крана............................... .... ................... ...................................12
2.3 Устройство уплотнения................................................................. .........................12
2.4 Достоинства и недостатки конструкции........................ .......................................12
3. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ КРАНА С КОНИЧЕСКИМ ЗОЛОТНИКОМ..13
3.1 Конструкция крана с коническим золотником.....................................................13
3.2 Принцип действия............................................................................... ....................13
3.3 Уплотнение конического золотника.......................................................................13
3.4 Преимущества и недостатки...................................................................................15
4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ............................... ............14
4.1 Сравнение плоского и конического золотников........................... .......................15
4.2 Выбор рациональной конструкции................................................. ......................15
5. РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРАНА.................................................16
5.1 Исходные данные....................................................................................................16
5.2 Определение скорости потока...............................................................................16
5.3 Оценка режима течения..........................................................................................16
5.4 Оценка гидравлического сопротивления..............................................................16
5.5 Расчёт корпуса на прочность........................................ .......... .............................18
5.6 Определение силы от давления..............................................................................19
5.7 Расчёт шпинделя на кручение........................................................................20
5.8 Определение момента управления................................................................20
5.9 Предварительная оценка пружины................................................................21
5.10 Итоги расчёта.................................................................................................21
6. МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ КРАНА...............................................................23
6.1 Выбор материала корпуса...............................................................................23
6.2 Материал золотника и шпинделя....................................................................23
6.3 Материалы уплотнений....................................................................................23
7 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ...........................................24
7.1 Изготовление корпуса........................................ ..............................................24
7.2 Изготовление плоского золотника.............................. ....................................24
7.3 Изготовление конического золотника...................... .......................................25
7.4 Изготовление шпинделя.......................................... ..........................................25
7.5 Сборка крана.......................................... .............................................................25
8 КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА И ИСПЫТАНИЯ..................................................26
8.1 Контроль размеров деталей.................................... ...........................................26
8.2 Контроль герметичности................................. ...................................................26
8.3 Испытания на прочность........................... .........................................................26
8.4 Проверка работоспособности.................. ...........................................................26
9 ОХРАНА ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ........................26
9.1 Требования безопасности при изготовлении.....................................................26
9.2 Требования безопасности при сборке.................................................................26
9.3 Безопасность при испытании давлением............................................................26
9.4 Безопасность эксплуатации..................................................................................28
10 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ....................................29
10.1 Материалоёмкость...............................................................................................29
10.2 Трудоёмкость.......................................................................................................29
10.3 Сравнение стоимости ..........................................................................................30
10.4 Выбор рационального решения...........................................................................31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................31
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................... .....35
ТХ объекта разработки:
1. Основные технологические параметры (Характеристики объекта)
Для кранов с плоским и коническим золотниками устанавливаются следующие номинальные расчетные параметры:
Рабочая среда: Техническая вода, светлые нефтепродукты, минеральные масла, неагрессивные жидкие среды.
Номинальное давление (Pₙ / PN): 4,0 МПа (40 кгс/см²).
Пробное давление при испытаниях (P₍исп.₎): 6,0 МПа (согласно ГОСТ на испытания арматуры 1,5 · Pₙ).
Диапазон температур рабочей среды (T): от −40°C до +120°C.
Номинальный диаметр (условный проход Dₙ / DN): 50 мм.
Класс герметичности затвора: Класс A по ГОСТ 9544-2015 (видимые протечки среды через запорный затвор не допускаются).
Тип управления: Ручной (рычаг/маховик) с возможностью установки четвертьоборотного редуктора.
Коэффициент гидравлического сопротивления (λ):
Для конического золотника: ≈ 0,5 – 0,8 (из-за сужения прохода).
Для плоского золотника: ≈ 1,2 – 1,5 (из-за геометрии поворота потока).
2. Описание технологического процесса (Принцип работы затвора)
Технологический процесс управления потоком в рамках разработанного объекта разделяется на два типа конструктивных исполнений:
А. Кран с плоским золотником
Исходное положение («Закрыто»): Плоский подвижный диск (золотник) поджат пружиной и давлением среды к плоскому неподвижному седлу корпуса. Проходные отверстия в золотнике и седле смещены относительно друг друга.
Процесс открытия: При повороте рукоятки крутящий момент передается через шпиндель на золотник. Золотник вращается в плоскости, параллельной зеркалу седла.
Положение «Открыто»: При повороте на 90⸰ сквозные отверстия в плоском золотнике и седле полностью совмещаются, открывая свободный проход для жидкости.
Б. Кран с коническим золотником
Исходное положение («Закрыто»): Запорный орган выполнен в виде конусной пробки со сквозным окном. Конус плотно прижат к конической выточке в корпусе. Окно развернуто перпендикулярно направлению потока.
Процесс открытия: Шпиндель вращает конусную пробку вокруг ее вертикальной оси.
Положение «Открыто»: При повороте на 90⸰ окно в пробке совпадает с осью трубопровода. За счет конусности обеспечивается высокая герметичность, но требуется постоянный контроль усилия прижатия пробки, чтобы избежать заклинивания.
3. Графическая часть ТХ (Состав чертежей для курсовой)
Сборочный чертеж крана с плоским и коническим золотником (Формат А1): Продольный и поперечный разрезы, показывающие узел уплотнения, прижимную пружину, сальниковый узел шпинделя и спецификацию крепежа.
4. Спецификация материалов (Технологическое материаловедение)
Для обеспечения работоспособности ТХ объекта при давлении 4,0 МПа выбраны следующие марки сталей и сплавов:
Корпус крана и крышка: Сталь 20Л (литейная конструкционная, для отливки сложной формы корпуса) или Сталь 20 / 09Г2С (если корпус изготавливается методом ковки/штамповки для работы при низких температурах).
Шпиндель (вал): Сталь 40Х или 20Х13 (коррозионностойкая, термообработанная, с высокой прочностью на кручение).
Золотник плоский / коническая пробка: Сталь 12Х18Н10Т (нержавеющая сталь для предотвращения коррозии в зоне затвора) или латунь ЛС59-1 (для снижения коэффициента трения в паре с деталями из стали).
Уплотнение затвора (седло):
Для плоского золотника: Пластины из Фторопласта-4 (PTFE) или композита на его основе для обеспечения герметичности «металл-пластик».
Для конического золотника: Паста-смазка на основе графита или наплавка стеллитом (в исполнении «металл-металл»).
Уплотнение шпинделя (сальник): Графлекс (терморасширенный графит) или кольца из фторопласта.
Прижимная пружина: Сталь 65Г (рессорно-пружинная сталь с последующей закалкой).

АННОТАЦИЯ
Тема курсовой работы: «Конструкция, принцип действия и расчёт крана с плоским и коническим золотниками».
Объем работы: 35 с., в том числе 1 рис., 7 табл., 10 источников.
Объект исследования: запорная трубопроводная арматура, а именно краны с плоским вращающимся золотником и краны с коническим затвором (пробкой), предназначенные для работы на технологических трубопроводах с номинальным диаметром DN50 и рабочим давлением PN40 (4,0 МПа).
Цель работы: проведение сравнительного инженерного анализа конструкций кранов с плоским и коническим золотниками, выполнение комплекса гидравлических и прочностных расчетов основных элементов, а также выбор и обоснование рациональной схемы затвора для заданных условий эксплуатации.
В ходе выполнения работы:
1. Рассмотрены общие сведения о запорной арматуре, определены физические принципы работы, назначения и области применения плоских и конических затворов.
2. Выполнен детальный сравнительный анализ конструкций, выявлены их ключевые достоинства и недостатки, включая склонность конических золотников к заклиниванию и особенности герметизации плоских пар трения.
3. Проведены поверочные гидравлические расчеты (определены скорость потока, режим течения, потери напора) и прочностные расчеты элементов арматуры. Выполнен расчет корпуса на прочность при внутреннем давлении среды, а также расчет шпинделя на кручение с определением необходимого момента управления.
4. Обоснован выбор конструкционных материалов (сталь 20Л, сталь 40Х, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и фторопласт-4), обеспечивающих долговечность и герметичность затвора по классу А.
5. Разработаны базовые технологические рекомендации по изготовлению деталей, правила проведения гидравлических испытаний, а также мероприятия по охране труда и безопасной эксплуатации арматуры.
Область применения результатов: материалы курсовой работы могут быть использованы при проектировании и модернизации узлов запорной арматуры для магистральных систем водоснабжения, технологических линий нефтеперерабатывающей и химической промышленности.
Ключевые слова: ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА, КРАН, ПЛОСКИЙ ЗОЛОТНИК, КОНИЧЕСКИЙ ЗОЛОТНИК, ШПИНДЕЛЬ, КОРПУС, ГЕРМЕТИЧНОСТЬ, ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ, МОМЕНТ УПРАВЛЕНИЯ.