2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение................................................................2
1. Состояние вопроса исследований материалов, прочностных и гидродинамических параметров эластичных трубопроводов................. 10
1.1 Физико-механические свойства материалов............................10
1.1. 1 .Технические ткани..............................................11
1.1.2.Пронитка и термообработка технических тканей.....................17
1.1.3. Резинотканевые материалы........................................22
1.2. Прочностные и деформационные параметры эластичных
трубопроводов..........................................................24
1.3. Исследование гидродинамических параметров эластичных трубопроводов..........................................................32
1.4. Простейшие модели -эластичного трубопровода.......................41
1.5. Цель и задачи исследований........................................47
2. Исследование квазистатического и динамического поведения
эластичного трубопровода...............................................49
2.1. Описание предлагаемой математической модели эластичного
трубопровода...........................................................49
2.2. Экспериментальные исследования упруговязких свойств эластичного
трубопровода...........................................................50
2.2.1. Описание экспериментальной установки............................54
2.2.2. Экспериментальные ■» исследования • релаксационных свойств образцов...............................................................55
2.2.3. Определение динамического и статического модулей упругости образцов...............................................................58
2.2.4. Сравнение теоретических и экспериментальных данных..............61
2.2.5.Экспериментальные исследования ползучести эластичного трубопровода...........................................................64
.4.. ...О .
2.2.6. Определение влияния скорости нагружения на релаксационные свойства эластичного трубопровода............................................................66
2.3.1. Исследования продольных колебаний в эластичном трубопроводе 71
2.4. Выводы по главе.........................................................................80
3. Разработка математической модели и теоретические исследования гидромеханических характеристик эластичных трубопроводов................................................................................81
3.1. Разработка математической модели упругих деформаций стенки эластичного трубопровода при движении по нему сплошной несжимаемой среды при установившемся расходе.......................................................................81
3.2. Теоретические исследования гидродинамических параметров............93
3.2.1. Скорость движения жидкости.......................................93
3.2.2. Динамическое давление............................................94
3.2.3.Потери давления на трение..............................................................95
3.2.4. Статистическое давление...............................................................96
3.3.Теоретические исследования деформационных.параметров........................................................................ 97
3.3.1. Осевая деформация эластичного трубопровода.......................97 ■
3.3.2. Радиальные и осевые напряжения в стенке эластичного трубопровода, і..............................................................................99
3.4. Последовательное соединение эластичных трубопроводов...................................100
3.5. Разветвлённый эластичный трубопровод...............................107
3.6.Характеристики эластичных трубопроводов.................................................110
3.6.1. Характеристика односекционного эластичного трубопровода..........110
3.6.2. Характеристика многосекционного эластичного трубопровода
с последовательным соединением..........................................113
З.6.З.. Характеристика разветвлённого эластичного трубопровода..............................115
3.7. Выводы по главе....................................................117
4
4. Гидравлические исследования эластичного резинового трубопровода 118
4.1. Описание лабораторной установки и методика проведения исследований...........................................................118
4.2. Обработка экспериментальных данных................................123
4.3 Оценка погрешностей................................................127
4.4. Анализ результатов измерений и обработки экспериментальных данных.................................................................130
4.5. Разработка эластичных трубопроводов...............................142
4.5.1. Общие положения.................................................142
4.5.2. Выбор материалов для внутренней камеры, наружнего покрытия и каркаса................................................................144
4.5.3. Определение продольного профиля................................148
4.5.4. Определение толщины стенки эластичного трубопровода.............152
4.6. Выводы по главе..................................................153
Основные выводы по диссертации.........................................154
Библиографический список...............................................156
Акты внедрения.........................................................166
5
Общая характеристика работы.
Актуальность проблемы. Проблема развития трубопроводного транспорта относится к важным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации. Особое место в решении данной проблемы отводится эластичным трубопроводам. Эластичные трубопроводы в настоящее время нашли широкое применение в авиации и космонафтике, при добыче строительных материалов со дна водоёмов, при проведении строительных работ по намыву дамб и строительных площадок, при транспортировке жидких и сыпучих строительных материалов, в системах отопления и вентиляции и, наконец, при проведении работ, связанных с охраной окружающей среды. Широкое применение эластичных трубопроводов объясняется их высокими эксплуатационными качествами: мобильностью, меньшей массой и объёмом в
4...5 раз, коррозионной и эрозионной стойкостью.
Развитие промышленности сопровождается повышением требований к совершенству конструкций и качеству выпускаемых эластичных трубопроводов. Обеспечить современные требования по уменьшению материалоёмкости, повышению надёжности и снижению энергозатрат в настоящее время вызывает значительные трудности. Поэтому становится очевидной необходимость разработки новых конструктивных и технологических решений, совершенствования методологии проектирования трубопроводных систем с использованием эластичных трубопроводов.
При гидравлических расчётах трубопроводов с деформируемыми стенками в первую очередь необходимо иметь достоверную информацию о закономерностях изменения основных гидродинамических и деформационных параметров при использовании новейших полимерных материалов.
Эта Необходимость определяет актуальность теоретикоэкспериментальных исследований закономерностей взаимодействия потока полифазных жидкостей и эластичных стенок трубопровода. Актуальность диссертационных исследований подтверждается выполнением на протяжении
Ч Ч. • »4 *4. «• Ч. Г 14 • ( ||» |\>|(||||||(. 41
6
ряда лет на кафедре «Теплогазоснабжения и вентиляция» Курского государственного технического университета госбюджетных и хоздоговорных работ на тему «Исследование и разработка эластичных трубопроводов». Результаты работ внедрены на многих предприятиях РФ в том числе на НПО «Композит» г. Курска, который серийно производит эластичные трубопроводы широкой номенклатуры.
Объектом исследования данной работы являются процессы деформирования эластичного трубопровода при квазистатическом и динамическом нагружении.
Целью настоящей работы является повышение эффективности работы эластичных трубопроводов на основе создания математических моделей динамического и квазистатического поведения трубопровода с упруго-деформируемыми стенками при движении по нему несжимаемой жидкости для расчета упруговязких характеристик, динамических напряжений и деформаций, а также гидродинамических параметров.
Средством достижения поставленной цели является дальнейшее развитие теоретических основ процессов деформирования с учетом взаимодействия потока жидкости и стенок эластичного трубопровода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать методику и экспериментальное оборудование для
. - . 111*1. •» 1.1/1 4.1 .1.' —
определения реологических параметров эластичного труоопровода в режимах релаксации напряжений и ползучести;
- провести теоретические и экспериментальные исследования и установить закономерность, связывающую напряжения и скорость нагружения, с определением мгновенного и длительного модулей
г .........‘ 'Сг!** »
упругости;
- разработать математическую модель продольных свободных колебаний эластичного трубопровода;
•Ч * ’ • * ч*
7
- разработать методику и экспериментальный стенд для изучения упруговязких свойств материала эластичного трубопровода методом свободных колебаний;
- разработать математическую модель упругих деформаций стенки эластичного трубопровода при движении по нему сплошной несжимаемой среды при установившемся расходе жидкости;
- при реализации математической модели выявить функциональные зависимости изменения гидродинамических * параметров и механических характеристик по длине эластичного трубопровода;
- провести экспериментальные гидравлические исследования эластичного трубопровода для проверки адекватности математической модели;
- разработать рекомендации для проектирования эластичных трубопроводов.
Методы исследований. При разработке математических моделей
трубопровод с упруго деформируемыми стенками и поток несжимаемой
сплошной среды рассматривались как единая совокупность. Работа выполнена
с применением следующих законов и методов: законов наследственной
механики, разработанных в трудах академика Ю.Н. Работнова ; уравнений
Вольтерра-Больцмана; принципа Даламбсра; метода нелинейной оптимизации
Левенберга-Марквардта; функции Гильберта; метода быстрого преобразования
- , • •• 11.1 •
Фурье; дифференциального и интегрального исчислений; основных законов
гидродинамики и теории упругости полимерных материалов; законов
сохранения массы и энергии.
Научная новизна исследования состоит в решении комплексной задачи по определению закономерностей влияния квазистатических и динамических нагрузок на эластичный трубопровод в условиях свободных колебаний, а также при установившемся расходе транспортируемой жидкости, в выявлении функциональных зависимостей изменения деформации, напряжения и основных гидродинамических параметров с целью разработки инструментария проектирования эластичных трубопроводов.
На защиту выносите;!:
- закономерности деформирования эластичного трубопровода в режимах релаксации напряжений и ползучести, связывающих напряжения, деформации и скорость нагружения, при этом установлено, что наиболее точным является описание с применением ядра Ржаницина;
- математическая модель и аналитическое решение задачи о распространении свободных продольных колебаний в эластичном трубопроводе, которое позволило установить связь между динамическими показателями волнового процесса и параметрами релаксации напряжений, ползучести;
- идентификация упруговязких параметров эластичных трубопроводов с использованием метода Левенберга-Марквардта, функции Гильберта;
- математическая модель упругих деформаций стенки эластичного трубопровода при движении по нему сплошной несжимаемой среды при установившемся расходе, аналитическое решение которой позволило получить функциональные зависимости изменения деформации и напряжения, а также гидродинамических параметров по длине эластичного трубопровода.
Практическая значимость:
разработаны математические модели, которые позволяют прогнозировать поведение эластичных трубопроводов при проектировании и
I
эксплуатации, а в некоторых случаях дают возможность исключать дорогостоящие экспериментальные работы и заменять их исследованиями с применением компьютерной техники;
разработан способ расчета эластичных трубопроводов, состоящих из нескольких секций при последовательном и разветвленном соединении;
- разработан способ построения характеристик эластичного трубопровода;
- разработаны рекомендации для проектирования эластичных трубопроводов;
9
результаты научных исследований и рекомендации инженерного расчёта внедрены на следующих предприятиях г. Курска: ОАО
«Курскгидромеханизация», ОАО «Курскхлсб», ОАО «Элеватормельмаш», ОАО ТГК-4 «Курская региональная генерация», используются в дипломном проектировании кафедрыт Теплогазоснабжения и вентиляции Юго-Западного государственного университета, получены акты внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2003»; XXXIV вузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодёжь и XXI век»; VIII и IX научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (2008, 2010.); I Международной молодежной научной конференции «Молодёжь и XXI век»; XXII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых (МИКМУС-2010) «Будущее машиностроения России»; II Всероссийской научно-методической конференции «Основы проектирования и детали машин - XXI век»; на заседаниях кафедры «Отопление, вентиляция и кондиционирование» Белгородского ГТУ им. Шухова.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликованы 17 печатных работ, в том числе И статей (2 статьи из перечня ВАК), I патент на изобретение, 5 патентов на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка из 140 наименований. Диссертация изложена на 169 страницах, содержит 55 рисунков и 9 таблиц.
* 11 \ V «•
10
1. Состояние вопроса исследований материалов, прочностных и гидродинамических параметров эластичных трубопроводов
1.1.Физико-механические и технологические свойства материалов
История изготовления эластичных трубопроводов своими корнями уходит в далекое прошлое. Прообразом современных конструкций эластичных трубопроводов были трубчатые устройства, сшитые из шкур животных. В конце XVII века в Голландии появились разработанные братьями Вандер Гейден парусиновые гибкие трубопроводы с продольным швом. Такая конструкция с небольшими изменениями иногда применяется и в наши дни. Отличительной особенностью таких труб является эластичность, т.е. способность испытывать упругие обратимые деформации растяжения, сжатия и изгиба без разрушения материала стенок. В настоящее время эластичные трубопроводы изготавливаются из композиционных материалов.
Композиционные материалы образованы объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкими границами раздела между ними. Композиционный материал характеризуется свойствами, которыми не обладает ни один компонент, входящий в состав и взятый в отдельности. Обычные композиционные материалы для труб состоят из армирующих материалов и пластичной среды. Пластичная среда является связующим материалом и защищает армирующий материал от вредных воздействий внутренней и наружной среды. В качестве армирующих материалов для труб применяют технические ткани, металлокорд, стальную проволоку, стальные кольца и диски. В качестве пластичной среды используют резины на основе различных каучуков и полимерных материалов.
Варьируя структурой и объемным содержанием компонентов, можно получать композиционные материалы для труб с требуемыми параметрами: прочности, эластичности, абразивной стойкости,
термостойкости и даже электропроводности.
11
1.1.1. Технические ткани
Для изготовления каркасов труб применяют технические ткани. Общая тенденция - увеличение применения технических тканей из химволокон и сокращение применения технических тканей из натуральных и искусственных волокон, а также расширения области применения металлокорда. Применяют натуральные (хлопок), искусственные (вискоза), минеральные (стекло) и химические (на основе полиамида, полиэфира, полипропилена, поливинилового спирта) волокна. Свойства различных волокон приведены в табл. 1.1 [2 ...7]
Таблица 1.1. Свойства волокон
Показатели Хлопок Вискоза Полиа- мид Поли- эфир Винил Поли- пропи- лен Ара- мид Стек- лово- лок но
Прочность при разрыве, 100 МН/м 3,3 - 4,0 4.5- 8,0 7,0 - 8,6 7-10 4,7- 7,0 3,0- 6,5 15-27 5 - 1(
Изменение прочности при разрыве во влажном состоянии, % 102 110 68-80 80-92 100 75-90 100 85-90 85
Удлинение при разрыве, % 6-10 7-15 15-28 6-20 9-22 15-25 2-4 3-4
Напряжение при растяжении на 1%, МН/м*103 5,0-5,5 3,5 - 5,0 2,8 - 5,0 10-11
Модуль Юнга, МН/м2*103 8-13 15-20 2,5 -5,0 10-20 7-9 - - -
Плотность, кг/м3*103 1,54 1*5 1,14 1,38 1,28 0,91 1,44 2,56
Равновесное содержание влаги (20°С, влажность -65%), % 7 12-14 3,5 - 5,0 0,4 -0,5 3-5 0 4,5 5,0 0,2
Тепловая усадка при 160°С, % - 0,5 6 7 - - <0,2 0
Сопротивление усталости при многократном изгибе, % - 20 100 40 - - 50 -
Сопротивление удару, % - 40 100 75 - - 50 -
Сопротивление истиранию, % - - 100 50 - - - -
Температура, °С:
стеклования - - 50 70-80 85 37 >300 -
размягчения 180-200х 220- 235« 230 -240 220 -230 140 160
плавления 210-220х 250- 260« 255- 265 150 -170 >500
х Полиамид 6
х* Полиамид 66
12
Хлопчатобумажные нити наименее прочны, они обладают низкой химической стойкостью и теплостойкостью, плохим сопротивлением ударным нагрузкам, высоким влагопоглощением. Удовлетворительное сопротивление воздействию плесени и микроорганизмов обеспечивается специальной обработкой нитей. Преимущества хлопчатобумажных нитей - низкое удлинение под нагрузкой и хорошая адгезия необработанных нитей к резине.
Вискозные нити имеют удовлетворительные прочность и удлинение под нагрузкой, низкое сопротивление удару и многократному изгибу. Высокое влагопоглощение сопровождается значительным ухудшением прочностных свойств. Вискозное волокно разрушается в сильных окислителях, горячих разбавленных и холодных концентрированных кислотах, а в концентрированных растворах щелочей набухает с одновременным снижением прочности. Вискоза подвержена воздействие плесени, микроорганизмов, термитов.
В производстве технических тканей наиболее широко применяют полиамидные волокна. Полиамид 6 в различных странах имеет торговое наименование капрон, нейлон б, перлон, додерон, а полиамид 66 - анид и нейлон 66. Полиамидные волокна обладают высокой прочностью и эластичностью, низким модулем Юнга, высоким удлинением при промежуточной нагрузке и разрыве. Именно эти свойства обеспечивают наибольшие сопротивления полиамидных нитей многократному изгибу, ударной нагрузке и истиранию. Высокое удлинение нитей в основе тканей, которое нежелательно, снижают технологическими приемами. Полиамидные волокна стойки к щелочам, органическим растворителям и другим веществам, плесени и микроорганизмам, но разрушаются даже в разбавленных минеральных кислотах. Полиамидные нити, пропитанные резорцинформальдегидлатексными составами, имеют высокую адгезию к резине.
Полиэфирные волокна (полиэтилентерефталат) имеют торговое наименование лавсан, терилен, дакрон, тетерон, тревира и др. Полиэфирные нити характеризуются высокими прочностью и модулем Юнга, но в отличие от полиамидных нитей, имеют низкое удлинение под нагрузкой. Поэтому они являются наилучшим материалом для основы тканей, применяемых для изготовления труб. Применение полиэфирных нитей в утке ткани нежелательно из-за пониженного
»
%
13
сопротивления многократному изгибу и ударным нагрузкам вследствие низкой упругости этих нитей. Полиэфирные волокна стойки к действию большинства кислот, щелочей, растворителей, плесени и микроорганизмов, практически не поглощают влагу.
Поливинилспиртовое волокно разработано и применяется, в основном, в Японии. Нити из поливинилспиртового и полипропиленового волокон имеют некоторые преимущества по сравнению с хлопчатобумажными и вискозными нитями, но значительно уступают материалам из полиамидного или полиэфирного волокон. Поливинилспиртовое волокно стойко в минеральных кислотах при комнатной температуре, устойчиво к воздействию воды, плесени и микроорганизмов.
Волокна на основе ароматических полиамидов (арамид, кевлар) разработаны в последние годы. Прочность при растяжении этого волокна, отнесенная к единице массы, превышают прочность стали, а модули Юнга этих материалов одинаковы [8]. Арамидное волокно обладает высоким сопротивлением ударным нагрузкам, многократному изгибу, химстойкостью [7], но низким сопротивлением истиранию [9]. Недостаток арамидных нитей - относительно высокая стоимость.
Стекловолокно обладает высокой прочностью, но очень низким сопротивлением ударным нагрузкам, многократному изгибу. Применяется стекловолокно в каркасе труб редко.
Огнестойкость волокон различна. Хлопчатобумажные и вискозные нити не огнестойки: хлопчатобумажные нити выгорают при 150° С, а вискозное волокно разлагается при 280°С. Анидное волокно горит медленно. Капроновое волокно загорается с трудом, плавится и вне пламени гаснет. Полиэфирное волокно загорается легко, горит быстро с выделением копоти, плавится, горение продолжается после удаления пламени. Полипропиленовое'волокно‘также легко загорается, быстро горит, плавится, горение продолжается после удаления пламени. Поливинилспиртовое волокно горит медленно. Стекловолокно не горит, в пламени усаживается и плавится. Волокно типа «кевлар» не горит.
При повышении температуры прочностные свойства волокон необратимо снижаются. Сведения о термостойкости волокон приведены в [11].
Физико-механические и технологические свойства технических тканей, зависят не только от типа применяемого волокна, но и от
V
14
/
конструкции ткани. Ткани, применяемые для изготовления каркаса должны иметь: по основе - достаточную прочность при растяжении, сопротивление ударным нагрузкам и многократному изгибу, минимальное удлинение при рабочей нагрузке, высокую адгезию к резине; по утку - достаточную прочность при растяжении, сопротивление раздиру и ударным нагрузкам, высокое удлинение при растяжении и гибкость, адгезию к резине.
Для изготовления каркасов труб наиболее широко’ применяют технические ткани полотняного переплетения. Преимущества этих тканей: максимальное число перекрытий нитей основы и утка обеспечивает максимум каркасности и высокую прочность механического стыка. Недостатки обусловлены плотным расположением переплетений и извитостью нитей. Прочность тканей полотняного переплетения ограничена возможным количеством нитей, расположенных на единице размера ткани. Высокая плотность переплетений ограничивает также прочность связи ткани с резиной, из-за меньшего контакта между резиной к нитями ткани. Высокая извитость по основе, приводит к повышению упругого удлинения ткани. При этом с ростом извитости нитей снижается степень реализации в ткани прочностных свойств волокна. Таким образом, удлинение ткани при любой нагрузке зависит от удлинения (модуля) волокна, конструкции нити, степени заполнения: ткани по утку (числа нитей утка) и толщины нитей. Уменьшение крутки нитей снижает их удлинение и динамическую усталость при воздействии многократных нагрузок растяжения и изгиба. При одинаковом типе волокна в ткани полотняного переплетения снижение степени извитости или повышение прочности по основе увеличивает степень извитости и снижает прочность по утку. В этом случае возможно разрушение каркаса по утку. Механическая стыковка облегчается при повышении прочности ткани по утку.
Помимо тканей полотняного переплетения широко применяют ткани сложных переплетений: многоосновные (более одной основы при одном утке) и многослойные (несколько систем основных и уточных нитей). В двухосновной ткани прямолинейные нити утка расположены по обе стороны прямолинейно расположенных нитей главной основы, а перевивочная (технологическая) основа связывает между собой нити утка, огибая их поочередно с обеих сторон. При этом прямолинейность главной основы обеспечивает максимальное использование ее
- Київ+380960830922