авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Продольная устойчивость выдвижных шпинделей затворов трубопроводов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ефимова Анна Игоревна

продольная устойчивость выдвижных

шпинделей ЗАТВОРОВ трубопроводов

Специальность: 05.02.02 –

«Машиноведение, системы приводов и детали машин».

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: Панченко Евгений Васильевич,

доктор технических наук,

доцент.

Официальные оппоненты: Проскуряков Николай Евгеньевич,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный

университет», профессор кафедры «Теории

полиграфического производства и

защиты информации»;

Гордон Владимир Александрович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Государственный университет –

УНПК» (г. Орел), заведующий кафедрой

«Высшая математика».

Ведущее предприятие: ЗАО «Тулаэлектропривод».

Защита состоится «30» «октября» 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.10 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан «___» «сентября» 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Крюков Владимир Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Затворами трубопроводов оснащаются многие установки и агрегаты в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в металлургии и энергетике, в авиастроении и судостроении, в жилищном и промышленном строительстве. Одной из основной причин отказов или неэффективности затворов является потеря продольной устойчивости шпинделем под действием больших сжимающих усилий при закрытии затвора.

Работы по моделированию потери продольной устойчивости сжатых стержней велись и ведутся Тимошенко С.П., Вольмиром А.С., Филином А.П., Масленников А. М. и другими. По сравнению с расчетом стержней, расчет на продольную устойчивость шпинделей затворов трубопроводов имеет свои особенности. Известный ученый - арматурщик Гуревич Д.Ф. предлагает расчет шпинделя на продольную устойчивость вести по формуле Эйлера как для однородного стержня с эффективным диаметром, соответствующим диаметру впадин резьбы. В диссертационной работе Патриковой Т.С., на примере вращающегося шпинделя, рассмотрены и учтены: технологические несовершенства винта; переменность модуля упругости по длине шпинделя вследствие возможного неравномерного нагрева его материала; упрочняющее влияние резьбы по отношению к внутреннему диаметру.

По отношению к вращаемому шпинделю расчет выдвижного шпинделя на продольную устойчивость имеет дополнительные сложности. Выдвижной шпиндель имеет ступенчатую форму, в которой можно выделить 3 участка: верхний участок с резьбой; средний участок меньшего диаметра без резьбы; нижний участок максимального диаметра без резьбы, ограниченный в верхней своей части по боковой поверхности набивкой сальникового уплотнения. Такую конструкцию следует рассматривать как ступенчатую и в этом заключается принципиальное отличие расчета на продольную устойчивость выдвижного шпинделя, как от обычных стержней, так и вращающихся шпинделей.



А. М. Масленников проверял составные ступенчатые стержни на продольную устойчивость при помощи метода конечных элементов. Полученные им результаты следует признать положительными, но трудно осуществимыми в практических инженерных расчетах. Кроме того, выдвижные шпиндели затворов трубопроводов имеют сальниковое уплотнение, расположенное между верхним резьбовым и нижним гладким участками, которое в силу упругих свойств набивки сопротивляется изгибу. В связи с этим, необходим учет поддерживающего влияния уплотнительного сальникового устройства при возможной потере устойчивости шпинделем. А.С. Вольмир рассматривал продольную устойчивость стержней, лежащих на упругом основании. При этом, в отличие от сальникового уплотнения, поперечная нагрузка распределялась равномерно вдоль всей длины стержня.

Таким образом, моделирование потери продольной устойчивости выдвижным шпинделем затвора трубопровода, позволяющее выбрать рациональные геометрические параметры шпинделя, с учетом его ступенчатой формы, а также поддерживающего влияния сальника является не только актуальным, но и необходимым, так как неучет столь важных факторов может привести к отказу или к неэффективной работе задвижек.

Цель работы: повышение достоверности расчетов и научное обоснование новых технических решений при проектировании затворов трубопроводов за счет учета ступенчатой конструкции выдвижного шпинделя и поддерживающего влияния сальникового уплотнения при потере шпинделем продольной устойчивости.

Объект исследования: выдвижные шпиндели затворов трубопроводов.

Предмет исследования: силовое нагружение выдвижных шпинделей затворов трубопроводов, приводящее к потере шпинделем продольной устойчивости.

Методы исследования. Исследование силового нагружения выдвижных шпинделей затворов трубопроводов проводилось с использованием фундаментальных законов механики. Условием, обеспечивающим современный уровень моделирования, является широкий анализ работ и логическая связь с теоретическими и экспериментальными результатами предыдущих исследований, сопоставление некоторых выводов с известными фактами.

Научная новизна состоит в разработке моделей, описывающих силовое нагружение выдвижных шпинделей затворов трубопроводов, приводящее к потере шпинделем продольной устойчивости, с учетом ступенчатого изменения поперечного сечения и поддерживающего влияния сальника.

Научные положения, выносимые на защиту:

- модель осевого нагружения выдвижных шпинделей затворов трубопроводов при перекрытии перемещаемого потока и метод их расчета на продольную устойчивость с учетом ступенчатого изменения поперечного сечения;

- расчетные формулы, позволяющие рассматривать геометрически неоднородные составляющие конструкции шпинделя в отдельности и определять суммарную величину максимальной нагрузки для конструкции в целом;

- модель неравномерного поперечного нагружения выдвижного шпинделя затвора трубопровода со стороны сальникового уплотнения вследствие изгиба шпинделя при потере продольной устойчивости и расчётные формулы для учёта поддерживающего влияния сальника;

- новые технические решения для конструкций шиберных задвижек с уплотнением для шпинделя и практические рекомендации по оптимизации параметров существующих конструкций затворов трубопроводов.

Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и разработанных методик обусловлена корректностью применения математических методов, широким использованием ЭВМ, сравнением результатов моделирования с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными.

Практическая значимость и реализация результатов. Разработан ряд инженерных методик и реализованы на ЭВМ алгоритмы и программы моделирования исследуемых задач. Предложена методика расчета выдвижного шпинделя затвора трубопровода на продольную устойчивость, учитывающая его ступенчатую конструкцию с резьбовой, и не резьбовой частями, и с промежуточной линейно-упругой опорой, имитирующей поддерживающее влияние сальникового уплотнения.

Предложены новые конструкции шиберных задвижек с уплотнением для шпинделя и даны практические рекомендации по оптимизации параметров существующих конструкций затворов трубопроводов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались соискателем на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2010 – 2012 г.г.), XXXVI и XXXVII Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ, 2010, 2011 г.г.), XVII Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР-17) (г. Тула, ТулГУ, 2012), расширенном заседании кафедры ПМДМ (г. Тула, ТулГУ, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, библиографического списка из 113 наименований. Объем диссертационной работы составляет 120 страниц, в том числе 48 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту, реферируется содержание разделов диссертации.

В первом разделе работы рассматриваются общие сведения о трубопроводной арматуре, условия ее работы и основные расчетные схемы.

При выдвижном шпинделе управление затвором осуществляется путем вращения гайки, связанной с маховиком (шестерней электропривода). Шпиндель имеет только поступательное движение. В зависимости от обозначения основные размеры и характеристики затворов находятся в широких пределах: диаметр прохода DN от 50 до 2000 мм; давление PN от 16 до 250 Н/см2; длина шпинделя H от 345 до 1662 мм; удлинение шпинделя (отношение длины к диаметру) до 30; применяемые резьбы от Tr20x4 до Tr50x8. Приводы обеспечивают крутящий момент на винте до 1050 Нм, а в отдельных случаях и выше. При таких условиях нагружения уточняются силовые характеристики арматуры и формулируются задачи, возникающие при проектировании выдвижных шпинделей затворов трубопроводов. Формулируются цель и задачи исследований.

Во втором разделе работы рассматривается продольная устойчивость выдвижного шпинделя как стержня со ступенчато изменяющейся жесткостью при осевом сжимающем нагружении. Расчетная схема и эпюра сил, действующих на выдвижном шпинделе, представлена на рис.1. Изменением величины осевой сжимающей нагрузки по длине шпинделя можно пренебречь. Винтовая часть шпинделя имеет существенно меньший эффективный диаметр, который близок к среднему диаметру резьбы. Тогда, выдвижной шпиндель необходимо рассматривать как стержень со ступенчато изменяющейся жесткостью. Причем возможно наличие не только двух, но и трех и более ступеней. Например, в зонах сальника и клина диаметр может отличаться, как от диаметра гладкой части, так и от эффективного диаметра резьбовой части.

Предлагается мысленно стержень шпинделя разбить на 3 (рис. 2) или более части с длинами разного диаметра , , ... соответственно. Для каждой части в отдельности посчитать соответствующие фиктивные значения критических сил по формуле Л.Эйлера:

, (1)

где - модуль упругости материала шпинделя; - момент инерции соответствующего поперечного сечения.

Из формулы (1) видно, что длина для каждого участка обратно пропорциональна корню квадратному от величины критической нагрузки , , , …, . Сумма длин отдельных участков составит длину стержня в целом .

 Расчетная схема и эпюра сил, дей--14  Расчетная схема и эпюра сил, дей--15

Рис.1. Расчетная схема и эпюра сил, дей- Рис. 2. Схема для определения сум-

ствующих на выдвижном шпинделе марной критической нагрузки





Тогда, справедливо следующее выражение:

, (2)

где константы подлежат определению.

Поделим левую и правую часть уравнения (2) на С. Тогда условие (2) запишется так:

, (3)

где , , … .

Разрешая (3) относительно , получаем:

, (4)

В случае геометрически неоднородного шпинделя предлагается его суммарную жесткость определять с учетом длин участков с постоянной жесткостью:

. (5)

Очевидно, что жесткости отдельных участков шпинделя с постоянным диаметром определяются так:

, ,…,. (6)

Тогда, формулы для вспомогательных коэффициентов , , и запишутся:

,,.

Для проверки адекватности модели использовались результаты исследований, изложенные в монографии А. М. Масленникова и в справочнике С.П. Фесика. Рассматривается стержень, со ступенчато изменяющейся жесткостью как с заделанным концом, так и с шарнирно - опертыми концами и сжатый продольной силой, приложенной к верхнему торцу (рис. 3 а и б соответственно). Для схем, представленных на рисунке 3, решение (4) имеет вид:

, (7)

где; .

а) б)

Рис. 3. Расчетные схемы А. М. Масленникова (а) и С.П. Фесика (б)

При этом стержень круглого сечения состоит из двух одинаковых частей длиной , диаметры поперечных сечений стержней были подобраны так, чтобы выполнялись следующие условия , .

По формулам Л. Эйлера, для каждой отдельной части заделанного и шарнирно – опертого стержня, соответственно имеем:

и . (8)

и . (9)

Подставляя (8) и (9) в (7), после несложных вычислений, с учетом значений , и , для рассмотренных расчетных схем, получаем следующие результаты соответственно: и . А. М. Масленниковым при помощи численного метода для той же задачи, был получен следующий результат:. П.С. Фесик для своей расчетной схемы приводит следующие данные: . Видно, что в обоих случаях погрешность не превысила 10 %, что можно считать удовлетворительным.

Далее проводятся исследования влияния геометрических факторов составных стержней (количества участков, их диаметров и длин) на величину суммарной критической нагрузки. Показано, что учет ступенчатой формы выдвижного шпинделя оказывает существенное влияние на его запас по продольной устойчивости, а разработанные модели не только инженерно реализуемые, но и удовлетворительно согласуются с результатами предыдущих исследователей.

Таким образом, предложен метод оценки продольной устойчивости выдвижных шпинделей затворов трубопроводов как стержней со ступенчатым изменением поперечного сечения, нагруженных сжимающей осевой силой, позволяющий рассматривать неоднородные составляющие конструкции в отдельности и определять суммарную величину максимальной нагрузки для конструкции в целом.

В третьем разделе рассматривается продольная устойчивость выдвижного шпинделя затвора трубопровода как шарнирно опертого стержня с промежуточной неравномерно распределенной поперечной нагрузкой, нагруженного сжимающей осевой силой.

Известно, что материал уплотнителя сальника сопротивляется изгибу линейно упруго. Тогда схему расчёта такой стержневой конструкции на продольную устойчивость можно представить в виде (рис. 4).

Уравнение изогнутой линии в этом случае запишется так:

, (10)

где - модуль упругости материалов шпинделя; - момент инерции поперечного сечения; - реакция опоры.

Реакция опоры А определялась как сумма двух составляющих:

,

где - составляющая реакции опоры от распределения нагрузки в виде прямоугольника; - соответственно от - треугольника.

 Затвор трубопровода и расчетная-59

Рис.4. Затвор трубопровода и расчетная схема учета поддерживающего влияния сальника

Из уравнений равновесия получили:

(11)

Подставляя (11) в (10) получили:

(12)

При интегрировании (12) применяли метод последовательных приближений. В качестве первого приближения использовали синусоиду Эйлера:

. (13)

Подставляя (13) в правую часть (12) получили обыкновенное дифференциальное уравнение, в котором правая часть является известной функцией от z:

(14)

После последовательного интегрирования (14), с учетом граничных условий у2(0) = 0 и у2(l) = 0, получили:

, (15)

где . (16)

Для нахождения первого приближения критической силы приравняем амплитуды первого и второго приближения в фиксированной точке z = l1:

y2(l1) = y1(l1) => (17)

Тогда, окончательно выражение для второго приближения запишется так:

(18)

Для нахождения третьего приближения подставим (18) в правую часть (12) и повторим описанную выше процедуру.

Тогда, второе приближение критической силы примет вид:

. (19)

Для проверки адекватности полученных формул предположим, что промежуточная опора расположена по середине стержня, т. е. . Тогда уравнение (19) запишется так:

. (20)

Проанализируем формулу (20). При к = 0 (сальник отсутствует) выражение (20) трансформируется в известную формулу Л. Эйлера для шарнирно-опёртой балки. При к (абсолютно жёсткая промежуточная опора) имеем:

,

а точное решение (суммарная длина стержня в 2 раза меньше): .



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.