В трубопроводной арматуре используются пружины сжатия, кручения и растяжения. Наиболее частое применение находят цилиндрические винтовые пружины сжатия из проволоки круглого сечения. Эти пружины надежны в работе и технологичны в изготовлении. Пружины в конструкциях арматуры требуются для создания постоянных сил в целях обеспечения герметичности затвора (например, в предохранительных или перепускных клапанах) либо в целях создания требуемой зависимости ход — давление на пневмоприводе (в регулирующих клапанах). В остальных случаях пружины играют вспомогательную роль (защелки, фиксаторы и т.д.). В предохранительных муфтах или муфтах ограничения крутящего момента могут быть использованы пружины кручения. В некоторых случаях применяются и тарельчатые пружины, например в целях упругой компенсации тепловых деформаций удлинения шпинделей арматуры, работающей при повышенной температуре. Цилиндрические винтовые пружины. Пружины сжатия и растяжения регламентированы ГОСТ 13764—68—ГОСТ 13767—68. В трубопроводной арматуре наиболее часто используются пружины из проволоки диаметром 4—12 мм. В зависимости от выносливости — числа циклов N до разрушения — пружины подразделяются на три класса. В первый и второй класс входят пружины сжатия и растяжения, в третий—только пружины сжатия. Для первого класса выносливость пружины должна быть обеспечена в N ^ 5-10 циклов, для второго — в N ^ 10^ циклов и для третьего —в N ^ 2-10* циклов. Допускаемое напряжение в пружинах второго класса примерно в 1,5, а третьего класса примерно в 2,3 раза больше, чем в пружинах первого класса, что позволяет применять пружины меньших размеров, но при меньшей их выносливости. Применяемые в трубопроводной арматуре пружины для предохранительных, перепускных и редукционных клапанов, мембранных исполнительных механизмов и других ответственных конструкций можно отнести к пружинам второго класса.
Поскольку цикловая нагрузка пружин в арматуре обычно характеризуется незначительным изменением силы пружины, то, применяя соответствующие напряжения, можно обеспечить работу пружины в условиях неограниченной выносливости. По условиям ГОСТа, все статические пружины, длительно пребывающие в деформированном состоянии и периодически нагружаемые со скоростью Од менее tJ^pi относятся ко второму классу. Здесь Од — наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружений или разгрузке (м/с), о^р — критическая скорость пружин сжатия (м/с), соответствующая возникновению соударения витков пружины от сил инерции. Вводимые ГОСТ 13764—68 ограничения расчетных напряжений и свойств проволоки обеспечивают неограниченную стойкость статических пружин при остаточных деформациях не более 15 % от значения максимальной деформации Fg (рис. 5.16). Каждый класс пружин подразделяется на разряды. Во втором классе содержится четыре разряда, причем к четвертому разряду относятся только пружины сжатия, к остальным —пружины сжатия и растяжения. Основные технические характеристики пружин второго класса приведены в табл. 5.11. При расчете пружин для наглядности используются диаграммы зависимости силы пружины Рот деформации (рис. 5.16), которые применяются для последовательного определения параметров пружины. Действительная (уточненная) характеристика несколько отличается от линейной. При длинных пружинах жесткость пружины с увеличением деформации несколько снижается в связи с уменьшением наклона витков, при коротких пружинах, используемых, например, в регулирующих клапанах, наоборот, жесткость пружины с увеличением деформации увеличивается в связи с уменьшением числа рабочих витков. Допускаемые напряжения в пружинах обычно имеют большие значения и принимаются в пределах: для стали —от 400 до 1350 МПа, для бронзы —от 300 до 450 МПа. Допускаемое напряжение зависит от материала проволоки и ее диаметра, так как проволока малого диаметра благодаря процессу волочения приобретает повышенные механические свойства. Для катаного материала допускаемое напряжение не зависит от диаметра. Допускаемые значения напряжений, рекомендуемых для расчета пружин из различных материалов, приведены в табл. 5.12—5.14.
5.11. Технические характеристики пружин второго класса по Гост 13.764—68
5.12. Допускаемые значения напряжений в пружинах для арматуры, изготовляемых из углеродистой пружинной стали (материал пружин: проволока диаметром d = 0,2-8,0 мм из углеродистой пружинной стали, холоднотянутая без термообработки. Допустимые условия эксплуатации пружин без покрытий: атмосфера с нормальной влажностью при температуре от —40 до +120 L)
5.13. Допускаемые значения напряжений в пружинах для арматуры, изготовляемых из легированной стали
5.14. Допускаемые значения напряжений в пружинах для арматуры, изготовляемых из бронзы [материал пружин: проволока диаметром Дп = 0,2-12 мм бронзовая нагартованная (в состоянии поставки)]
Пружины, изготовленные из углеродистой холоднотянутой стали, подвергаются упрочняющему отпуску для снятия напряжений при температуре 240—260 °С с выдержкой в 10—30 мин в зависимости от диаметра проволоки. Охлаждение производится на воздухе. Пружины из легированной стали подвергаются закалке с охлаждением в масле. Температура нагрева для стали марки 6GC2A равна 820 —840 °С, для стали марки 50ХФА —850—860 °С, для стали марки 40X13 — 1000—1100 °С. Выдержка при нагреве должна быть в пределах от 8 до 30 мин в зависимости от диаметра проволоки пружины. После закалки пружины из легированной стали подвергаются отпуску в соляной ванне с нагревом стали марки 6GC2A до 400—425 °С — для получения твердости HRC 48—52, стали марки 50ХФА до 400—420 °С — для получения твердости HRC 46 —50 и стали марки 40X13 до 480—495 °С — для получения твердости HRC 46—50. Пружины из стали марки 12Х18Н10Т подвергают упрочняющему отпуску для снятия внутренних напряжений при температуре 400—430 "С с выдержкой 20—30 мин и охлаждением на воздухе. Пружины из проволоки марки БрКМцЗ—I подвергают упрочняющему отпуску для снятия напряжений при температуре 120—150 °С с выдержкой в течение I—2 ч и последующим охлаждением на воздухе. Пружины из бериллиевой бронзы марки ББ подлежат закалке с охлаждением в воде комнатной температуры. Нагрев перед закалкой до 780 °С с выдержкой 1—2 ч. После закалки производится облагораживание при температуре 325 °С с выдержкой 2—5 ч в зависимости от диаметра проволоки пружины. Для стабилизации размеров пружин, изготовленных из закаливаемых сталей, предварительной проверки качества материала и результатов термической обработки пружины непосредственно после закалки и отпуска подвергаются «заневоливанию» в течение 6 ч путем сжатия пружины до соприкосновения витков. Пружины, изготовленные из углеродистой холоднотянутой стали без закалки после навивки, после упрочняющего отпуска для снятия напряжений подвергают заневоливанию в течение 6 ч либо взамен этого производят 3—5-кратное сжатие пружины до соприкосновения витков. Антикоррозионные и электролитические покрытия пружин и прогревы, выполняемые после покрытий в целях удаления водорода, могут быть источником возникновения хрупкости пружины, поэтому такие пружины после покрытий подвергаются заневоливанию в течение 24 ч до соприкосновения витков. В тех исключительных случаях, когда заневоливание путем сжатия пружины до соприкосновения витков недопустимо из-за чрезмерно больших напряжений, которые могут возникнуть, заневоливаиие производится на величину наибольших деформаций, создаваемых в пружине при ее работе в конструкциях арматуры. Пружина сжатия работает под действием осевой нагрузки, поэтому при проектировании следует предусмотреть ее продольную устойчивость против бокового выпучивания. Она зависит от отношения длины пружины Яо в свободном состоянии к среднему диаметру Do пружины (HQIDQ) и от способа закрепления конечных витков, определяющего возможность поворота крайних вит¬ков пружины. Различают два случая закрепления (рис, 5.17): случай, когда конечные витки имеют возможность поворота относительно вертикальной оси; допускается условие HJDo < 3,0 (рис. 5.17, а), и случай, когда конечные витки поворачиваться не могут; здесь допускается условие Ho^Df, < 5,0 (рис. 5.17, б). Сила, действующая на пружину сжатия, вызывает в каждом из поперечных сечений проволоки пружины суммарное напряжение от среза и кручения, определяемое формулой
5.16. Сила пружины и жесткость одного витка (изменение силы при изменении деформации одного витка на 1 мм) для пружин сжатия или пружин растяжения (материал — сталь, С = 80000 МПа)
Шаг витков пружины i, мм, определяется в зависимости от максимальной деформации одного витка, мм. При рабочей деформации пружины под действием силы между витками должен быть сохранен зазор, значение которого обычно принимается 6 ^ 0,2d при d <: 5 мм и б мм при d > 5 мм. Обычно шаг пружины находится в пределах Do . D, Расчет пружин можно производить с использованием данных табл. 5.16 и номограмм, приведенных на рис. 5.18 и 5.19. Предварительными исходными данными, которыми задаются при выборе и расчете пружин, обычно являются следующие: наружный диаметр пружины D, мм; сила пружины Р^, И (при предварительной деформации F^) и сила Р2, Н (при рабочей деформации F2), а также рабочий ход пружины h = — Fi, мм. В зависимости от назначения и условий работы пружины могут быть заданы дополнительные ограничения в жесткости пружины или ее габаритных размерах. Ниже приведена методика расчета пружины для одного из часто встречающихся на практике случаев. Заданы: сила пружины Pi, Н, при предварительной деформации; сила пружины Pg, Н, при рабочей деформации; рабочий ход пружины h, мм; наружный диаметр пружины D, мм. Решение. 1. Выбирают материал для изготовления пружины исходя из условий ее эксплуатации, степени ответственности, температурного режима и т. п. 2. Задаются наибольшим допускаемым для данного материала напряжением Тд, МПа, и модулем сдвига металла G, МПа. 3. Определяют необходимое значение силы Pg при сжатии пружины до соприкосновения витков. Обычно принимают Pg = 1,25Р2, для ответственных пружин принимают Pg = bSPg. 4. Пользуясь табл. 5.16, предварительно выбирают диаметр проволоки d по величинам Pg и D с учетом соотношения между принятым допускаемым напряжением Тд и напряжением Тд ^абл (в табл. см, Тд). 5. Определяют действительное напряжение в проволоке пружины.
Рис. 5.18. Номограмма для определения силы Р в пружинах сжатия пример. Дано: диаметр проволоки d = 3 мм, наружный Диаметр пружины i3 = 35 мм, допускаемое напряжение iTjl = = 750 МПа. Решение: = 220 Н
Рис. 5.19. Номограмма для определения жесткости г пружины сжатия Пример Дано: диаметр проволоки Dп = 3 мм, наружный диаметр пружины D = 35 мм, число рабочих витков п = ~ 10. Решение: жесткость пружины г = 2,4 Н/мм
