CC BY
35
УДК 539.4:621.06 С. Д. КОРНЕЕВ
В. С. КОРНЕЕВ И. Д. ПЕНЬКОВ М. И. ТРИБЕЛЬСКИЙ
Омский государственный технический университет
ООО «НПП «Сибрезинотехника», г. Омск
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РЕЗИНОКОРДНОГО ПАТРУБКА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ
Дано описание экспериментального стенда и методики проведения статических испытаний резинокордных патрубков. Определены эмпирические силовые характеристики и осевая жёсткость резинокордного патрубка при нулевом и рабочем избыточном давлении.
Ключевые слова: экспериментальный стенд, резинокордный патрубок, статические испытания, распорная сила, осевая жёсткость.
Введение. Резинокордные патрубки (РКП) разных типоразмеров (рис. 1) служат для компенсации монтажных, температурных и рабочих смещений соединяемых трубопроводов, а также для снижения уровня вибрации и шума. При установке дополнительного пережимающего устройства данные патрубки могут использоваться в качестве задвижек [1], не подверженных коррозии и отложениям на поверхностях, контактирующих с жидкостью. Однако, несмотря на указанные преимущества, внедрение резинокордных патрубков-задвижек в промышленность сдерживается из-за отсутствия экспериментального подтверждения достаточно высокой несущей способности резинокордного патрубка. Проведённые экспериментальные исследования усталостной выносливости показали [2], что ресурс резинокордных патрубков-задвижек по числу циклов открытия/закрытия в 2 — 3 раза превышает ресурс, гарантированный изготовителями аналогов — металлических задвижек с обрезиненным клином. В продолжение начатых исследований настоящая статья посвящена описанию специально разработанного экспериментального стенда для проведения статических испытаний и методике экспериментального определения силовой характеристики и осевой жёсткости патрубка, знание которых необходимо при монтаже и эксплуатации РКП.
1. Описание экспериментального стенда. Схема экспериментального стенда, предназначенного для проведения статических испытаний РКП минимального типоразмера (Dy = 80 мм), представлена на рис. 2, а его общий вид — на рис. 3.
Экспериментальный стенд (рис. 2) состоит из нижней 2 и верхней 5 траверс, жёстко закреплённых тремя направляющими 4. Пресс 3 может свободно перемещаться по направляющим 4 благодаря подшипникам скольжения 11. К прессу 3 и нижней траверсе
2 крепится резинокордный патрубок 1. Верхняя траверса 5 и пресс 3 связаны друг с другом динамометром 6. Вращением регулировочных гаек 7, 8 шток динамометра 6 может перемещаться вверх (вниз), пе-
редавая растягивающее (сжимающее) усилие на пресс
3 и патрубок 1. Верхняя часть штока динамометра 6 имеет квадратное сечение, чтобы предотвратить его проворачивание. Часовой индикатор 10 крепится на гибкой стойке 9, которая устанавливается на нижней траверсе 2 с помощью магнита (рис. 3). Поворотом специального рычага гибкая стойка 9 фиксируется, приобретая высокую жёсткость. Благодаря этому перемещение пресса 3 измеряется часовым индикатором 10 с достаточной для практики точностью.
При подготовке к испытаниям резинокордный патрубок 1 заполнялся водой стандартным способом. Давление в системе создавалось силовым гидроцилиндром 12 за счёт перемещения его штока вверх с помощью гидравлического домкрата 18. Шаровой кран 16 служит для сообщения гидросистемы с атмосферой через сливной бак 17. Шаровой кран 15 предназначен для поддержания давления в резинокордном патрубке 1 при перезарядке силового гидроцилиндра 12, когда полностью выбран ход его штока. Сама перезарядка осуществлялась в следующей последовательности. Шаровой кран 15 закрывается, а шаровой кран 16 открывается. Гидравлический домкрат 18 «выключается» за счёт поворота соответствующего регулировочного винта, шток силового гидроцилиндра 12 перемещается вниз под действием незначительного внешнего усилия. При ходе штока вниз вода из сливного бака 17 поступает в рабочую полость силового гидроцилиндра 12. После этого гидравлический домкрат 18 «включается», шаровой кран 16 закрывается, а шаровой кран 15 открывается.
Величина давления в гидросистеме контролировалась двумя способами: а) визуально стрелочным манометром 13, б) преобразователем избыточного давления «Сапфир» 14. Для обеспечения работы преобразователя давления 14 использовался источник постоянного тока 19. Первичные показания преобразователя давления 14 фиксировались миллиамперметром 21.
Тензодатчики динамометра 6 подключались к измерителю усилий и деформаций 20, с него же снимались первичные показания динамометра 6.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
£>
§
а1
12'
&
А
ВкД ■ 1 ДДаСыь
1
СВ
А(21)
Наружный
і слоя каркаса
покровной слой
г\
■__________і________________
Внутренний
герметизирующии слои
Пут Размеры, мм Кол-во отб. п Рабочее дабление. МПа
0 01 і ё
80 200 160 210 18 8 1.0
100 220 180 230 16 В
150 280 2І2 280 20 в
200 335 295 330 20 В
'Размеры для справок.
¡.¡'Г;
Аиоаа Проб
пм-нггр
/У* сЬкцп.
!Ып
Резинокордный
патрубок-задвижка
Копмюбол
Лип Пасса \Macuima5
Лист
12
І /Ьстоі Т
ПТ
Угол закроя корда
І
Рис. 1. Конструкция и типоразмеры резинокордного патрубка (РКП)
Рис. 2. Схема экспериментального стенда
Рис. 5. Условная петля гистерезиса при Fynp = F0 + c%,
FTO = const, p = const
Рис. 3. Общий вид экспериментального стенда
Рис. 4. Расчётная схема определения распорной силы РКП
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
141
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
142
Перед проведением испытаний динамометр 6 тарировался в диапазоне ±5 кН. Тарировка преобразователя избыточного давления 14 проводилась как предварительно, так и в ходе проведения испытаний путем одновременного снятия показаний с манометра 13 стрелочного типа и первичных показаний преобразователя давления 14 с мультиметра 21.
2. Методика обработки экспериментальных данных. Под распорной силой понимается осевая составляющая силы взаимодействия резинокордного патрубка с соединяемыми трубопроводами. Поскольку резина проявляет вязкоупругие свойства [3, 4], распорная сила Rz в общем случае складывается из упругой F и вязкой F составляющих: R =F +F .
упр вязк z упр вязк
В процессе релаксации к состоянию равновесия вязкая составляющая F стремится к нулю. Тем самым,
вязк * '
в равновесном состоянии распорная сила носит сугубо упругий характер: Rz=Fупр.
При определении распорной силы необходимо исключить возможность перекоса бортов РКП. Этой цели служат направляющие 4 (рис. 2). Однако наличие направляющих затрудняет непосредственное измерение распорной силы из-за наличия силы трения в направляющих. Чтобы обойти данное затруднение, приходилось чередовать циклы последовательного перемещения пресса 3 вверх и вниз в диапазоне ±5 мм. Перемещение пресса (вверх или вниз) осуществлялось малыми шагами от 0,1 мм до 0,5 мм в зависимости от величины усилия на динамометре 6 (рис. 2). После каждого шага примерно через 2...5 минут снимались конечные показания индикатора часового типа 10 и динамометра 6, которые устанавливались по окончании процессов релаксации. В крайних положениях (верхнем и нижнем) измерялось расстояние между прессом и основанием установки, что позволяло контролировать показания индикатора часового типа, а также рассчитывать длину РКП.
Обработка данных измерений проводилась в соответствии с расчётной схемой, отражающей равновесие пресса и отсечённой части резинокордного патрубка (рис. 4). Суммарная сила трения движения в направляющих Р^, как сила упругости Fупр (распорная сила Rz) и избыточное давление в системе р,
полагалась позиционной: ^ = ^р (4), Рп = Рущ, (4),
Р = р(4).
Из уравнения равновесия (рис. 4)
N = G + Рущ, (4)
-Р^ + Ртр (£>ЩП(|),
N +(£) = G +
N _(^) = G + Ру,
,(4)- р(45 + Рр (4), ,(4)- р($)Б - Рр (4),
(1)
где 5 — площадь «смоченной» части поверхности пресса. Первая зависимость (1) соответствует движению пресса вверх, а вторая зависимость — движению вниз. Данным зависимостям отвечает некоторая петля гистерезиса (рис. 5).
Поскольку в положении равновесия сила упругости Рупр совпадает с распорной силой Rz, сложением и вычитанием зависимостей (1), находим
Rz (4) = N +(^2 N-(4) - G + р(& ,
N + (4)- N-(4) 2 .
(2)
(3)
Площадь «смоченной» части поверхности пресса 5 рассчитывалась по среднему радиусу резинокордного патрубка в его ненагруженном состоянии:
(4)
По рис. 1 г0 = 45 мм. Эффективное значение смоченной площади (4), во-первых, соответствует модельному представлению РКП в виде сетчатой оболочки цилиндрической формы [5] и, во-вторых, интегрально учитывает радиальную деформацию резины вблизи бортового соединения.
При проведении статических испытаний непосредственно по приборам измерялись усилие на динамометре тензодатчиками, смещение пресса индикатором часового типа, наружный диаметр патрубка специальным штангенциркулем, давление воды в патрубке стрелочным манометром и преобразователем давления марки «Сапфир».
Погрешность измерения данных величин определяется половиной деления шкалы соответствующего прибора. Так, усилие на динамометре измерялось с погрешностью ДN= ±5 Н, смещение пресса по индикатору часового типа — с погрешностью Д = ±0,005 мм. С такой же погрешностью Д1= ±0,005 мм проводились измерения штангенциркулем. Погрешность измерения давления воды в патрубке по стрелочному манометру составляла ±1 атм или 0,1 МПа, преобразователь давления марки «Сапфир» давал на два порядка меньшую погрешность Др = ±4 кПа или ±0,04 атм.
Статистическая обработка результатов измерения для вторичных величин вида Z=Z(A,B,C,...), являющихся функциями непосредственно измеряемых в опыте первичных величин А, В, С, ..., проводилась в соответствии с известной формулой для среднеквадратичной ошибки Д2 [6]:
(ДЖ)2 = (^ )2 + (^ )2 + (Д^ )2 +..., (5)
где ДЖА = (дЖ/дА)ДА и т.д. Для среднего радиуса г0, определяемого замером штангенциркулем наружного Б и внутреннего Бв диаметров патрубка, имеем
Г = (Бн + Б V2, К)2 = (ДОн/2)2 + (ДС^2)2 = Д13/2 .
Поэтому Дг0=±3,5 мм. Отсюда по формуле (4) находим Д5 = 2яг0Дг0= ±1 мм2. Аналогичным образом по формулам (3), (5) находится среднеквадратичная ошибка определения силы трения:
ДРтр = Д^/ 42 = +3,5 Н.
3. Определение приведённой массы подвижных частей. При применении метода взвешивания для определения массы подвижных частей экспериментального стенда возникают трудности, обусловленные оценкой вклада, который вносят разные части динамометра и связанные с ним детали. Поэтому величина приведённой массы подвижных частей находилась непосредственно с использованием экспериментального стенда.
К прессу 3, жёстко закреплённому в направляющих 4, присоединялись все подвижные металлические детали, соответствующие РКП в сборе, но без патрубка (рис. 2). Устанавливался динамометр и индикатор часового типа. После этого пресс освобождался от жёсткого крепления в направляющих. Смещение пресса обеспечивалось вращением регулировочных гаек 7, 8.
В обозначенных условиях формула (2) принимает
вид
Рис. 7. Изменение избыточного давления при растяжении (сжатии) РКП
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
со
Т
й)
3
аз
аз
а> аз 3 2 аз з
5 I
о 2 си 2 3 о аз ю < (в о а
и а в а
а в
(в Е
а а п у
а «
0) О
н аз
а о * в
К £ (£* “ н л В § К X (в V
я й
аз ^ :ф < аз а) < л о> в а о
^ м
>■ з
со
а
о,
Рис. 9. Эмпирические силовые характеристики распорной силы:
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
Избыточное давление Коэффициенты уравнений регрессии
А, Н С , кН/м В, н Ь1, Н/м Ь , кН/м2 2 '
Нулевое - 222.65 116.9 151.93 362.5 - 2639
Рабочее 4867 187.2 148.29 250.4 1974
с йМ|«),
где С' — вес подвижных частей без учёта массы резины трез = 0,4 кг верхнего борта РКП (рис. 1), значение которой определялось расчётным путём. На основании данных измерений по формулам (6), (3) найдены значения С'=298±3,5 Н, Ртр = 46±3,5 Н, для которых усреднённая петля гистерезиса удовлетворительно согласуется с исходным опытными данными (рис. 6).
В результате для приведённой массы подвижных частей стенда имеем тпр = С / g + трез = 30,8 кг, а для веса всех подвижных частей С = т^ =302 Н, где g — ускорение свободного падения.
4. Определение распорной силы и осевой жёсткости РКП при нулевом и рабочем избыточных давлениях. При испытаниях с нулевым избыточным давлением шаровые краны 15, 16 оставались открытыми (рис. 2). При испытаниях под рабочим давлением, создаваемым с помощью силового гидроцилиндра 12, шаровой кран 15 перекрывался. В обоих случаях по индикатору часового типа 10 фиксировалось смещение пресса, а по измерителю 20 — усилие динамометра 6. Смещение пресса 3 обеспечивалось вращением регулировочных гаек 7, 8. Малые изменения рабочего давления в системе из-за смещения пресса (рис. 7) контролировались преобразователем избыточного давления 14.
В соответствии с (2) опытные значения распорной силы при нулевом избыточном давлении рассчитывались по формуле
к й), ;!Ш±^(Й _ с
с погрешностью ARz = ^АМ2/2 + АС2 = +5 Н , определяемой по (5). При рабочем избыточном давлении расчёт проводился по формуле
^(£) = ^ +(£) + ^-(£) _ с + р(^ с погрешностью
АЯг ^ л/АмТ2 + АС2+"(Ар5)2+"(рА5)2 =+26 Н, определяемой также по (5) при среднем избыточном давлении р = 0,841 МПа (рис. 7).
После анализа экспериментальных данных для распорной силы и силы трения Fтр были выбраны
уравнения регрессии
(4) = А + а£ , Fтр (4) = В + + Ь242. (7)
Полученные методом наименьших квадратов значения коэффициентов эмпирических зависимостей (7) приведены в табл. 1. Усреднённая петля гистерезиса, построенная с использованием (7), удовлетворительно согласуется с исходными экспериментальными данными (рис. 8).
Введём в рассмотрение смещение подвижного конца РКП из недеформированного состояния 5, связанное с условным смещением пресса х формулой перехода 5=а+^ (рис. 4). При нулевом избыточном давлении величина а = А/с= — 1,91 мм, а при рабочем давлении значение а = —0,085 мм определялось сравнением показаний индикатора часового типа и измеряемых расстояний между основанием стенда и прессом в крайних его положениях (верхнем и нижнем). Поэтому на основании (7) получаем следующий итоговый результат для распорной силовой характеристики РКП:
К = ^р (5) = А + Ф _ а). (8)
Эмпирические зависимости (8) проиллюстрированы на рис. 9. Как видим, при 5 = 0 (длина РКП такая же, как в ненагруженном состоянии) распорное усилие при рабочем избыточном давлении отлично от нуля и составляет около 4,9 кН. С ростом избыточного давления от нуля до рабочего значения жёсткость РКП увеличивается примерно на 60 %.
Выводы.
Результаты статических испытаний на специально разработанном экспериментальном стенде показали, что в диапазоне изменения удлинений ±5 мм силовые характеристики распорной силы с достаточной для практики точностью описываются линейными зависимостями. При ненулевом избыточном давлении силовая характеристика РКП не проходит через нуль. С ростом давления от нуля до рабочего значения осевая жёсткость РКП существенно увеличивается. Полученные эмпирические зависимости имеют практическое значение при монтаже изделия на трубопровод и его эксплуатации. В дальнейшем проведённые экспериментальные исследования необходимо дополнить серией статических испытаний по определению давления разрушения, зависимости распорной силы и геометрических размеров РКП от величины внутреннего избыточного давления.
Библиографический список
1. Пат. 2282769 Российская Федерация, МПК51 Б 16 К 7/06 Резинокордный компенсационный патрубок-задвижка: / Три-бельский И. А., Адонин В. А., Трибельский М. И., Брей-тер Ю. Л. ; заявитель и патентообладатель И. А. Трибельский.— № 2005108266/06 ; заявл. 23.03.05 ; опубл. 27.08.06, Бюл. № 24 — 6 с.
2. Трибельский, М. И. Результаты экспериментального исследования резинокордных патрубков-задвижек / М. И. Трибельский // Омский научный вестник. — 2013. —№ 2 (120). — С. 165-167.
3. Расчётно-экспериментальные методы проектирования сложных резинокордных конструкций / И. А. Трибельский [и др.]. — Омск : Изд-во ОмБТУ, 2011. — 240 с.
4. Черных, К. Ф. Нелинейная теория упругости в машиностроительных расчётах / К. Ф. Черных. — Л. : Машиностроение, 1986. — 336 с.
5. Корнеев, С. А. Расчётная модель сетчатой оболочки вращения для резинокордного патрубка / С. А. Корнеев, М. И. Трибельский // Омский научный вестник. — 2012. — № 1 (107). — С. 101-109.
6. Сквайрс, Дж. Практическая физика / Дж. Сквайрс. — М. : Мир, 1971. - 246 с.
КОРНЕЕВ Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Сопротивление материалов» Омского государственного технического университета (ОмБТУ).
КОРНЕЕВ Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Основы теории механики и автоматического управления» ОмБТУ. ПЕНЬКОВ Иван Александрович, ассистент кафедры «Сопротивление материалов» ОмБТУ. ТРИБЕЛЬСКИЙ Михаил Иосифович, кандидат технических наук, инженер-конструктор ООО «НПП Сибрезинотехника».
Адрес для переписки: komeyev@omgtu.ru
Статья поступила в редакцию 30.04.2014 г.
© С. А. Корнеев, В. С. Корнеев, И. А. Пеньков, М. И. Трибельский
УДК 621.3И.1.031 Л. Н. АХТУЛОВА
А. Л. АХТУЛОВ Е. Н. ЛЕОНОВ Н. Н. ПЕТУХОВА С. И. СМИРНОВ
Омский государственный университет путей сообщения
Тобольский индустриальный институт (филиал Тюменского государственного нефтегазового университета)
ИНТЕГРАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ СОЗДАНИИ МАЛЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДОЛОГИИ КОГЕНЕРАЦИИ________________________________________________
Приведен анализ существующих технологии при создании малых электротехнических систем и комплексов на основе методологии когенерации; рассмотрены возможности и перспективы широкого их использования в локальных системах тепло- и электроснабжения и состояние развития рынка технологий микрокогенерации.
Ключевые слова: комбинированное производство электрической и тепловой энергии, двигатель Стирлинга, топливный элемент, микрокогенерация.
В настоящее время Международные экологиче- технологий и форм организации, режимов потреб-
ские соглашения (Киотский протокол [1] и др.) ока- ления и механизмов управления, концепций понима-
зывают влияние на выбор направлений развития топ- ния проблем и средств определения системных эксп-
ливно-энергетического комплекса, что привело к по- луатационных характеристик электричества.
явлению новых технологий — таких как возобновля- Одним из перспективных путей развития элект-
емая энергетика, комбинированное производство рических систем предлагается децентрализация (или
тепла и электричества, «чистый уголь». А междуна- распределение) [4] производства электроэнергии в
родные события последних десятилетий, связанные маленьких, децентрализованных единицах, такой
с авариями на атомных электростанциях, ещё раз подход поможет обеспечить сокращение выбросов
поставили в повестку дня вопрос о безопасности и снизить потери в сетях, а также обеспечит возмож-
энергетики. Кроме того, изменения климата и огра- ность развития возобновляемой энергетики.
ниченные ресурсы подземных ископаемых требуют Одним из вариантов распределенной генерации,
значительных сокращений использования невозоб- который может быть применён для развития жизне-
новляемых источников энергии и выброса парнико- способных энергетических систем в будущем, это
вого газа. Таким образом, вопрос замены традицион- микрокогенерация — комбинированное производство
ной тепловой и атомной энергетики на новые, пер- электрической и тепловой энергии в малых объёмах,
спективные в относительно недалёком будущем ис- которые непосредственно включены в состав объекта
точники энергии — весьма актуален. использования.
Как отмечается в [2, 3], обеспечение устойчивого По сравнению с распространенным в настоящее
развития энергетического сектора потребует новых время централизованным производством и потреб-технических решений в таких сферах, как развитие лением электроэнергии, обеспечивающим сотни и
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
