Продольные и кольцевые нагрузки в напорных полимерных рукавах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

достигает значений R = 0,155-0,6 кН/м. В указанном диапазоне могут быть выбраны сочетания параметров, позволяющие получать дублированные системы, удовлетворяющие совокупности заданных критериев качества.

Литература

1. Немирова Л. Ф. К вопросу конфекционирования материалов для одежды / Л. Ф. Немирова // Швейная промышленность, 1997. № 8. С. 15-16.

2. Кузьмичёв В. Е. Теория и практика процессов склеивания деталей одежды: В. Е. Кузьмичёв, Н. А. Герасимова. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 256 с.

3. Немирова Л. Ф. Разработка метода автоматизированного подбора материалов для одежды: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.19.01 / Л. Ф. Немирова. М. МТИЛП, 1993. 21 с.

4. Чижик М. А. Графическая модель оптимизации параметров ниточного соединения деталей одежды / М. А. Чижик // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 2013. № 5 (347). С. 86-90.

Longitudinal and circumferential stresses in the presser polymeric hoses

Kornev V.1, Rybakov Ju.2 Продольные и кольцевые нагрузки в напорных полимерных рукавах Корнев В. А.1, Рыбаков Ю. Н.2

'Корнев Виталий Анатольевич /Kornev Vitaly - кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник 23 отдела; 2Рыбаков Юрий Николаевич /Rybakov Jurij - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник 23 отдела, Федеральное автономное учреждение 25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации, г. Москва

Аннотация: проведен анализ внутренних напряжений и нагрузок в напорных плоскосворачиваемых рукавах под давлением рабочих жидкостей и внешних факторов. Проведен расчет продольных и кольцевых нагрузок, жесткости, распора напорных рукавов из термопластичного полиуретана. Показан высокий уровень эластичности и прочности полиуретанового рукава, что создает предпосылки его работоспособности в сложных реальных условиях эксплуатации. Проанализированы подходы к расчету внешних нагрузок на напорный рукав и выбраны расчетные формулы.

Abstract: the analysis of internal stresses and pressure loads in lay flat hoses under the presser of the working liquids and external factors. The calculation of longitudinal and circumferential stresses, rigidity of presser hoses from thermoplastic polyurethane. It shows a high level of flexibility and strength of the polyurethane hose, which creates preconditions of its performance in real exploitation conditions. Analyzed approaches to the calculation of external loads to presser hose and chosen suitable formula for calculation.

Ключевые слова: плоскосворачиваемый рукав, трубопровод, продольные и кольцевые напряжения, нагрузки, коэффициент Пуассона, модуль упругости, жесткость, гибкая нить, распор.

Keywords: lay flat hose, pipe, longitudinal and circumferential stresses, loads, Poisson ratio, elastic modulus, rigidity, flexible thread, thrust.

В реальных условиях эксплуатации напорные плоскосворачиваемые рукава (НИР) из полимерно-текстильных конструкционных материалов подвергаются воздействию постоянных, длительных, периодических внутренних и внешних нагрузок.

Внешние нагрузки обусловлены воздействием ветра и движения воды, рассчитываемым по формулам провисающей (гибкой) нити [1-6].

Основным видом внутренних нагрузок является внутреннее давление рабочей среды при перекачивании нефтепродуктов (топлива, масла), создающее в стенках трубопровода продольные и кольцевые напряжения (рис. 1).

Рис. 1. Схема внутренних напряжений в стенке НПР при давлении рабочей среды

Кольцевое напряжение в НПР под давлением рабочей жидкости:

бкц = Рраб / 23, (1)

где Рраб - рабочее давление (обычно 1,6 МПа или 16 кгс/см2)

- внутренний диаметр рукава и трубопровода (100 мм; 150 мм) 3 - толщина стенки рукава (полимерного ~ 5 мм) Площадь поперечного сечения рукава:

Е = Енар - РВН = Ш2НАР/4- Ш2ВН/4 (2) Продольное напряжение в НПР под давлением рабочей жидкости:

бпр = Ц бкц, (3)

где ц - коэффициент Пуассона материала рукава (для полиуретана ц = 0,496) [7]. Для сравнения: коэффициент Пуассона сталей различных марок составляет 0,27-0,33. Коэффициентом Пуассона называют абсолютную величину, равную частному относительного поперечного сужения (расширения) к относительному продольному удлинению (сжатию) [8].

Таким образом, продольное напряжение в напорном рукаве из полиуретана под воздействием внутреннего давления рабочей среды примерно в два раза меньше кольцевого напряжения. Продольная нагрузка:

П = бпр Е (4)

Конструкционный материал рукава должен иметь запас прочности на внешние нагрузки на рукав, в частности, от воздействия направленного течения и волнения поверхности морской воды, в которой находится полимерный рукав в случае заправки корабля с берега.

Конструкционный материал рукава на основе термопластичного полиуретана (ТПУ) обладает высоким модулем упругости:

Модуль упругости ТПУ на основе сложного полиэфира - внутренний слой: ЕС ~ 10 МПа = 100 кгс/см2

Модуль упругости ТПУ на основе простого полиэфира - внешний слой: ЕП ~ 3 МПа = 30 кгс/см2

Модуль упругости полиэфирной (ПЭ) ткани - средний армирующий слой: ЕПЭ ~ 15 кН/мм2 = 150000 кгс/см2 = 15 . 105 тс/м2

Согласно одному из положений механики композиционных материалов модуль упругости композита соответствует закону механической смеси, то есть вклад компонента пропорционален его объёмной доле [3, 9].

Тогда модуль упругости трехслойного конструкционного материала на основе ТПУ: Е = 0,5 ЕС + 0,25 ЕП + 0,25 ЕПЭ = 100/2 + 30/4 + 150000/4 = 50 + 7,5 + 37500 = 37557,5 кгс/см2

Жесткость ТПУ рукава Ду 100 на растяжение:

ю = Е ^ = (37557,5 кгс/см2) (16,4933 см2) = 619447,115 кгс = 619, 45 тс

Кольцевая жесткость полимерно-тканевого ТПУ рукава Ду 100:

00 = 4,475Е0 53 /(1-ц2)а3 ,

где 00 - кольцевая жесткость, МПа

Е0 - модуль упругости материала рукава, МПа

5 - толщина стенки рукава, мм

ц - коэффициент Пуассона материала рукава (для ТПУ ц = 0,496)

(1 - диаметр рукава, мм

00 = 4,475 . 3755,75 . 503 / (1 - 0,4962 ) . 1103 = 2093 МПа = 20930 кгс/см2

Полученные значения продольной и кольцевой жесткости показывают высокий уровень прочностных свойств конструкционного материала на основе ТПУ.

Из внешних нагрузок наиболее существенной является нагрузка от давления воды, зависящая от скорости течения, волнения, температуры и некоторых других факторов. Мерой продольных усилий в НПР от внешних воздействий является величина распора Н.

При равномерно распределенной нагрузке Р=еот1, когда расстояние между точками закрепления рукава I, деленное на стрелу провеса/, больше или равно 8 (пологая нить) [2-4], то величина распора Н без учета упругих деформаций определяется по формуле:

Н = Р12 / 8/ (5)

Определение распора с учетом упругих деформаций производится по формуле:

"-ЙГ (6)

Недостатком расчета по формуле (6) является то, что она применима для очень малых значений стрелки провеса. В литературе эта формула имеет название расчета струны или расчета предварительно напряженной струны. Очевидно, данный метод практически не применим для оценки напорных рукавов, при работе которых предполагаются большие значения стрелы провеса. В этом случае более предпочтителен расчет по формулам:

Н = Ю/ Б2 - I2; Н-— (7)

4/ 4 '

где Н - распор;

1 - величина пролета рукава; / - стрела провеса;

Б - длина рукава по дуге;

Б - характеристика нагрузки, вычисляемая методом Верещагина или прямым интегрированием.

Составив алгоритм вычислений с граничными условиями, расчетным путем можно подобрать параметры геометрии рукава, обеспечивающие его работоспособность.

Литература

1. Тартаковский Г. А. Новая система сооружения трубопроводов в виде провисающих нитей (теория, расчет, проектирование). М.: Издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1961. 164 с.

2. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический / под ред. д-ра техн. наук, проф. А. А. Уманского. М.: «Стройиздат», 1960. С. 321-327.

3. Корнев В. А. Аналитический расчет напорных рукавов методом гибкой нити // Проблемы современной науки и образования, 2016. № 30 (72). С. 22-26.

4. Корнев В. А., Пирогов Ю. Н. Осевое усилие закрепленных на концах эластичных напорных рукавов под влиянием течения воды // Вестник науки и образования, 2016. № 11 (23). С. 14-17.

5. Волков О. Е., Корнев В. А., Колесников А. А. Перспективные рукава для технических средств перекачки горючего // Наука, техника и образование, 2015. № 7 (13). С. 8-13.

6. Корнев В. А. Современные технические средства нефтепродуктообеспечения из полимерных материалов / В. А. Корнев, Ю. Н. Рыбаков // «Вопросы современной науки»: коллект. науч. монография [под ред. Н. Р. Красовской]. М.: Изд. Интернаука, 2015. Том 2. Глава 2. С. 29-47.

7. Барвинок В. А., Федотов Ю. В., Шумков А. П., Рыжаков С. Г., Федотова И. Ю. Повышение эффективности технологии разделительной штамповки листовых деталей полиуретаном за счет использования различных схем открытого воздействия эластомера на заготовку // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 12. № 4 (2), 2010. С. 362-370.

8. [Электронный ресурс]. Коэффициент Пуассона. Режим доступа: http://ru.solverbook.com/spravochnik/koefficienty/koefficient puassona/ (дата обращения: 14.12.2016).

9. Скворцов Ю. В. Механика композиционных материалов. Конспект лекций. Самарский государственный аэрокосмический университет. Самара, 2013. 94 с.