Получение обводных патрубков с минимальным гидравлическим сопротивлением Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2005 р. Вип. №15

УДК 621.774: 621.73

Кухарь В.В.1, Грушко A.B.2

ПОЛУЧЕНИЕ ОБВОДНЫХ ПАТРУБКОВ С МИНИМАЛЬНЫМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Выполнен анализ способов и устройств для гибки труб и обоснована рациональность получения обводных патрубков продольным изгибом. Разработана методика расчета суммарных гидравлических сопротивлений патрубков и показано, что изделия, полученные по новой технологии, позволяют снижать потери напора в гидравлических сетях в 5-40 раз.

Традиционные способы гибки труб сопровождаются уменьшением площади поперечного сечения по биссектрисе угла изгиба [1], что приводит к увеличению местных сопротивлений трубопроводов. В случае многократных поворотов на пути течения жидкости возникающие в трубопроводе потери напора требуют существенного увеличения мощности электродвигателя насосной станции. Таким образом, с точки зрения энергосбережения, целесообразен поиск способов получения обводных патрубков без искажения поперечного сечения при гибке.

Решения в данном направлении предложены, например, на основании использования конструкций фильер с внутренним давлением [2], что ограничивает длину вталкиваемых трубных заготовок размерами используемого устройства. Известны способы гибки труб с применением наполнителей, которыми служат песок или свинец [1]. В качестве легкоплавких наполнителей также используют материалы с разной степенью твердости (например, полиэтиленгликоль и парафин), причем менее пластичный наполнитель располагают со стороны меньшего радиуса гиба [3]. После гибки патрубки нагревают и извлекают расплавленный наполнитель.

Указанные способы малопроизводительны и не обеспечивают полноты извлечения из трубного изделия наполнителя, летучие соединения и пары которого могут быть токсичны.

Для изготовления крутоизогнутых колен используют заполнение трубной заготовки эластичной средой (например, резиной или полиуретаном), при этом давление наполнителя повышают путём, по крайней мере, одноразового гофрирования заготовки с последующим разглаживанием гофра [4], или выполнения концевой части проходного канала в виде не менее чем двух последовательно расположенных сопряженных усечённых конусов [5]. Так же применяют эластичные втулки или оправки, которые обеспечивают растяжение трубных заготовок в окружном направлении, что препятствует искажению поперечного сечения [6].

Данные способы и устройства рассчитаны на деформирование стальных тонкостенных заготовок. Аналогичны технологические ограничения способов [7, 8], где стеснённая трубная заготовка проталкивается через формующий канал и калибрующий дорн. Для реализации таких технологий стеснённого изгиба используется специализированное оборудование или инструмент с достаточно сложной конструкцией. Однако следует отметить положительное влияние продольной сжимающей силы, в результате действия которой происходит раздача заготовки в окружном направлении, уменьшая искажение поперечного сечения по биссектрисе угла изгиба. Напряженно-деформированное состояние, соответствующее изгибу со сжатием, наблюдается при продольном изгибе за счет потери устойчивости при осадке высоких цилиндрических заготовок [9], что может служить рациональной базой для развития технологий гибки труб.

Целью работы является выявление преимуществ технологии гибки труб продольным изгибом, исследование гидравлических потерь в обводных патрубках и их минимизация.

Способ делает возможными как холодную, так и горячую пластические деформации. Инструментом служат обычные гладкие параллельные осадочные плиты пресса. Затруднение поворота торцов трубной заготовки относительно плоскостей опорных осадочных плит обеспечивает совпадение формы

1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

2 ВНТУ, канд. техн. наук, доцент

изделий с требуемой конфигурацией обводных патрубков. Для получения крутоизогнутых отводов, соответствующих стандарту [10], необходимо использование дополнительных технических и технологических приёмов.

Предварительную оценку формоизменения патрубков при продольном изгибе проводили путём осадки в торец латунных (Л98), стальных (Ст. 3) и свинцово-сурьмянистых (ССу) заготовок (рис. 1) с различными соотношениями Ь/Р и ВдШ® где Ьо, О0 и 8о - начальные длина, наружный диаметр и толщина стенки трубной заготовки.

Осаженные заготовки характеризовались увеличением диаметра проходного отверстия по биссектрисе угла изгиба (см. рис. 1в). Однако превышение степенью осадки некоторого критического значения сопровождалось резким его сужением (см. рис. 1а) или смятием торцов по наружной стороне (см. рис. 16), т.е. проявлялась потеря устойчивости второго рода.

Для расчетов гидравлических сопротивлений обводных патрубков необходимо знать их геометрические размеры, которые могут быть определены в результате экспериментальных замеров или теоретических расчетов с привлечением законов механики пластического деформирования.

Суммарный коэффициент местных сопротивлений Т.С, при движении потока жидкости зависит от гидравлических потерь на плавный поворот и изменение поперечного сечения патрубка. Проведём сравнение величин ЕС, для патрубков, полученных по традиционной и по новой технологиям, для чего выбираем угол поворота трубопровода равным у = 90 (одно из стандартизированных значений).

Представим обводной патрубок, полученный по новой технологии, как последовательную совокупность участков постепенного расширения и постепенного сужения диаметра тока, расположенных на изогнутом участке плавного поворота трубы. Соответственно патрубок, полученный по традиционной технологии, представим как совокупность участков постепенного сужения и расширения внутреннего диаметра, но на более коротком участке, длина которого равна радиусу изгиба по серединной линии Кс«1,5О0 [11].

Сечение трубопровода расширяется при ~0.181 Нк и достигает максимальной величины на расстоянии 0,5НК от входного торца. Здесь Нк - конечная высота заготовки. При теоретических расчетах минимальный и максимальный внутренние диаметры патрубка вычисляют как

Рис. 1 - Экспериментальные трубные образцы, осаженные с продольным изгибом (а), (б) и их продольные разрезы (в): 1 - латунный образец с О = 14 мм, Ьз = 73 мм, Я = 2,5 мм, степень осадки вух= 13,7 %; 1* - латунный образец с О,, = 14 мм, Ь0 = 74 мм, Во= 2,5 мм, степень осадки ву х= 29,7 % (сужение поперечного сечения в области гиба); 2 - свннцово-с\рьмянпстый образец с О0 =15 мм, Ьо = 82 мм, Во = 3,5 мм, степень осадки .. 23,4 %; 3 - стальной образец с О 21,5 мм, Ь, =102 мм, во = 2,5 мм, степень осадки ву х= 17,9 % (смятие приторцовых участков и середины).

= (2 г-Я)

хШЛШЯ,

И II,

Р-г -V)..

,т=0,5 #,.

где г - главный радиус трубной оболочки и X-

средняя толщина стенки деформированной трубы в поперечном сечении на расстояниях х = 0,181 Нк и 0.51 Ь от торца соответственно. При экспериментальных замерах - 1)в = /)„ - 2Б\

х=о,тн„

Г) —Г) — 1V

-^е.тах ^н. тах

х=о,тн„

где /)„ тш и /)„ тах - минимальный и максимальный наружные диамет-

ры.

Коэффициент местного сопротивления для постепенного расширения трубопровода [12]:

£п.р ~ ^п.р ' £вн.р '

где Сен р = (®/®о ')" - коэффициент потерь в случае внезапного расширения трубопровода с первоначальной и конечной площадью поперечного сечения <э0 и о соответственно;

^„р. — коэффициент смягчения, зависящий от угла конусности а (определяется по источнику [12]). Для патрубков, полученных по новой технологии:

■>2

а « 2arctg

-^e.max ^елшп

0.638//,.

ni У

m;.

COQ =-

Для патрубков, полученных традиционной гибкой:

а

■ larctg-_ -; со о =-

со =-

со =со

(2)

(3)

l,5D0 4

здесь а>м - площадь искаженного поперечного сечения, определяемая по справочнику [11].

Коэффициент местного сопротивления для постепенного сужения трубопровода 112]:

Си.С ~ Кп.с ' Сен.с ' (4)

где Сси с; (l / î; 1 - коэффициент потерь для случая внезапного сжатия трубопровода, здесь s = 0,57 + 0,043/(1,1 - п) - коэффициент сжатия, причем степень п сжатия потока для новых патрубков определяют как п = со0 /со , а для традиционных п = сом /<э0 ;

Кп.с - коэффициент смягчения, определяемый по источнику [12] в зависимости от угла а, который находят по формулам (2) и (3). Величины коэффициентов местного сопротивления, связанные с плавным поворотом трубы, вычисляют по формуле А.Д. Альтшуля, приведенной в источнике [12]:

С900 -

0,2+ 0,001(100А)

■JcUR

(5)

где Н о х " гидравлический радиус патрубка, здесь % - смоченный периметр;

d = De.m^ йГ = 1Д

- для новых и традиционных патрубков соответственно;

мулы Н.Ф. Федорова: -¡= = -2 le

л/Â 113,68i?

А - коэффициент гидравлического трения, который рекомендуется определять из обобщенной фор-

1 ..... ( А , а2 4

--, здесь Ке - число Рейнольдса, Д-, и а2 - эквивалент-

Яе )

ная абсолютная шероховатость и коэффициент, учитывающий характер шероховатости стенок трубы (по данным [12], для стальных труб Аэ = 0,8 мм, аг= 79).

Суммарные коэффициенты местных сопротивлений патрубков:

Т,С=Сп.с +Сп.Р +С90о- (6)

Расчеты проводили для Ь0 = 70 мм, 77 мм и 84 мм, О0 = 14 мм, 8о = 2,5 мм и 4 мм, материал Л98, у = 90" и Яе = 10000. Результаты расчетов по методике (1)-(6) приведены на рис. 2.

Рис . 2 -Сравнение местных гидрав личе-ских сопротивлений пат-

L„/D„

а)

L0/D„ б)

рубков при производстве

традиционной гибкой (а) и продольным изгибом (б) Расчеты показывают значительные эксплуатационные преимущества патрубков, полученных по новой технологии, т.к. становиться достижимым снижение суммарного коэффициента гидравлических сопротивлений в среднем в 5-40 раз (что соответствует патрубкам с первоначальными размерами L0/D0 = 5,5, So = 4,0 мм и L0/D0 = 5,25 и So = 2,5 мм, см. графики, приведенные на рис. 2). Кроме этого установлено, что по традиционной технологии гибки, уменьшение толщины стенки труб приводит к увеличению местных сопротивлений. По технологии гибки труб продольным изгибом, наблюдается некоторое снижение местных сопротивлений при увеличении относительной высоты L0/D0 и уменьшении толщины S0 трубной заготовки.

Элементы способов гибки труб продольным изгибом, в перспективе, могут быть использованы, например, при совершенствовании технологий получения крутоизогнутых отводов по стандарту [10]. Целесообразно также проведение исследований в направлении выявления степеней осадки ву х трубных заготовок, при которых начинается потеря устойчивости второго рода.

Выводы

1. Проведенный анализ позволил установить, что получение обводных патрубков продольным изгибом является наиболее простым и дешевым способом гибки труб, т.к. специализированное оборудование не требуется, а инструментом служат обычные гладкие параллельные плиты универсального блока штампов.

2. Использование патрубков, полученных по новой технологии, позволяет минимизировать потери напора в гидравлических сетях в среднем в 5-40 раз и более по сравнению с изделиями, полученными традиционной гибкой.

Перечень ссылок

1. Малое А.Н. Технология холодной штамповки / А.Н. Малое - М.: Машиностроение, 1978. - 374 с.

2. Ершов А.Г. Формообразование патрубков из труб изгибом, вталкиванием в фильеру с внутренним давлением / А.Г. Ершов II Кузнечно-штамповочное производство. - 1974. - №7. - С. 23-26.

3. A.c. 1296262 СССР, МКИ4 В 21 D 9/15. Способ гибки труб.

4. A.c. 1310068 СССР, МКИ4 В 21 D 9/15. Способ изготовления крутоизогнутых колен.

5. A.c. 1255241 СССР, МКИ4 В 21 D 9/15. Устройство для гибки труб.

6. A.c. 1433546 СССР, МКИ4 В 21 В 9/01. Устройство для гибки трубных заготовок.

7. Розенберг O.A. Новая технология получения крутоизогнутых стальных отводов методом холодного пластического деформирования / О.А.Розенберг, В.В. Мельниченко, С. Ф. Студенец II Известия АИН Украины: Спец. выпуск отделения «Тяжелое и транспортное машиностроение». - 1998. - С. 96-102.

8. Огородников В.А. Моделирование процесса формообразования крутоизогнутых отводов на основе теории деформируемости / Огородников В.А., Грушко A.B. II Удосконалення процсав та обладнання обробки тиском в металургн i машинобудуванш: Зб.наук.праць. - Краматорськ, 2000. - С. 5-10.

9. Диамантопуло К.К. Исследование осадки с потерей устойчивости заготовки для приближения её формы к форме поковки / К.К. Диамантопуло, В.В. Кухарь II Удосконалення процсав та обладнання обробки тиском у машинобудуванш та металургн: Зб.наук.праць. - Краматорськ, ДДМА, 1999. - С. 71-74.

10. ГОСТ 17375-2001. Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали. Отводы крутоизогнутые типа ЗВ. Конструкция.

11. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке / В.П. Романовский. - М.: Машиностроение, 1990.-674 с.

12. Калицун В.И. Гидравлический расчет водоотводящих сетей. Справочное пособие / В.И. Калщун. -М.: Стройиздат, 1988. - 72 с.

Статья поступила 07.04.2005