Содержание к диссертации
Введение
1. Напорные пожарные рукава: область применения, технические требования, обзор литературных источников по расчету на гидравлическое воздействие. механика нити, теория строения тканей и их применение для расчета напорных пожарных рукавов. постановка цели и задач исследования 9
Выводы 35
2. Разработка теоретических основ прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии с использованием теории строения тканей полотняного переплетения 37
2.1. Допущения, принятые при решении задачи 37
2.2. Математические модели строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава 39
2.3. Конечно-разностный аналог математической модели 65
2.4. Упрощенная математическая модель строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава и ее решение приближенными методами. Зависимости для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии 71
2.5. Формула для приближенного расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии 83
Выводы 85
3. Расчет на прочность напорных пожарных рукавов и проверка достоверности теоретических положений и соотношений для их прочностного расчета при гидравлическом воздействии 86
3.1. Определение исходных данных для прочностного расчёта пожарных рукавов при гидравлическом воздействии 86
3.2. Подтверждение достоверности теоретических положений и соотношений для прочностного расчета латексированных напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии 90
Выводы
4. Исследование влияния различных факторов на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии и разработка методики их рационального проектирования 92
4.1. Влияние разрывного усилия уточных, нитей и радиуса
пожарного рукава на величину его разрывного давления 93
4.2. Влияние геометрических плотностей по основе и утку тканой несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного давления 96
4.3. Влияние диаметров нитей основы и утка тканой несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного давления 101
4.4. Влияние коэффициента смятия нитей тканой несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного 101
давления
4.5. Разработка методики рационального проектирования напорных пожарных рукавов 104
Выводы 115
Общие выводы и рекомендации 117
Литература
- Математические модели строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава
- Упрощенная математическая модель строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава и ее решение приближенными методами. Зависимости для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии
- Подтверждение достоверности теоретических положений и соотношений для прочностного расчета латексированных напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии
- Влияние диаметров нитей основы и утка тканой несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного давления
Математические модели строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава
Пожарным рукавам, как одному из видов пожарной техники и оборудования, уделено большое количество литературных источников.
В частности, в монографии Р.Г. Лящука [2] приводятся основные сведения о пожарных рукавах, технологии их получения, условиях их хранения, эксплуатации, ремонта.
Автором отмечается, что напорные пожарные рукава, наряду с пожарными насосами и другим оборудованием, являются одним из основных видов пожарного вооружения, и от их исправного состояния во многом зависит боеспособность пожарной части, а, следовательно, и успешное тушение пожаров. Р.Г. Лящук также отмечает, что амортизационные расходы по эксплуатации рукавного хозяйства в большинстве случаев превышают затраты на все другие виды пожарного оборудования. Автор пишет, что напорные пожарные рукава изготавливаются на плоскоткацких или круглоткацких станках, причем технология получения прорезиненных рукавов более сложная, чем у непрорезиненных (льняных). Для прорезиненных пожарных рукавов на ткацком станке изготавливается только чехол (тканая несущая оболочка) рукава, который разрезается на куски длиной 20-21,5 метра, после чего эти куски внутри промазывают резиновым вулканизирующим клеем. После высыхания клея внутрь тканой несущей оболочки рукава вводят трубку из сырой резины, затем концы рукава зажимаются на специальных конусах и в трубку подается сжатый воздух. Под давлением воздуха резиновая трубка расправляется, плотно прижимаясь к стенкам тканой несущей оболочки рукава. После этого производится вулканизация резиновой трубки - воздух выпускается и в нее под давлением подается пар. После вулканизации производится слив конденсата и охлаждение рукава. В дальнейшем выполняют контрольную проверку на соответствие рукава требованиям ГОСТа. В [3] рассмотрены, помимо прочих, вопросы, связанные с особенностями эксплуатации пожарных рукавов, их технического обслуживания, ремонта, хранения и учета. Авторы отмечают, что при эксплуатации пожарные рукава подвергаются механическому износу, действию солнечных лучей, микробиологическим гнилостным процессам (льняные рукава), случайному попаданию на них химически активных веществ, воздействию низких и высоких температур, необратимому процессу старения материала.
В целом ряде работ [4-11 и др.] рассматриваются вопросы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией систем, сооружений и оборудования объектов противопожарного водоснабжения, приводятся методики расчета водопроводных и насосно-рукавных систем, которые сводятся к определению требуемого напора насоса в зависимости от расхода воды, подаваемой к месту пожара, решаются задачи по определению предельной длины рукавной системы, даются расчеты гидравлических параметров пожарных струй, потерь напора воды в водопроводных и насосно-рукавных системах, а также рассматривается гидравлический удар в данных системах и др.
Во всех перечисленных выше работах, а также во многих других работах, проанализированных нами, ссылки на которые мы здесь не приводим, отсутствуют методы расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии.
Единственным найденным нами литературным источником, в котором помимо прочих вопросов предпринята попытка по получению соотношений для расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии, является монография Н.А. Тарасова-Агалакова [12]. В данной монографии автором получена формула для расчета на прочность труб и пожарных рукавов при гидравлическом воздействии (см. стр. 21-24 [12]): где (7 - напряжение на растяжение в стенке трубы или рукава в
Применение этой формулы для расчета, например, стальных труб не вызывает возражений. Но при попытке применения этой формулы для расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии, как это предлагается автором, возникает ряд вопросов. Во-первых, что принимать за толщину д стенки пожарного рукава? Толщину только тканой несущей оболочки пожарного рукава? Или толщину тканой несущей оболочки плюс толщину привулканизированного слоя резины для прорезиненных пожарных рукавов или толщину тканой несущей оболочки вместе со слоями резины в случае латексированного пожарного рукава, а также для рукава с двухсторонним покрытием? Но как определить эту толщину, если последняя существенно зависит от гидростатического давления внутри пожарного рукава? Действительно, чем выше гидростатическое давление внутри пожарного рукава, тем большие усилия возникают в нитях тканой несущей оболочки, а значит и больше смятие этих нитей в зоне их контакта при одновременном уменьшении их диаметров. А эти параметры непосредственно влияют на толщину тканой несущей оболочки пожарного рукава, причем существенно влияют. Напряжение (7 , порождаемое растягивающей силой, действующей на стенку пожарного рукава, также зависит от толщины этой стенки. Кроме этого учитывать, что тканая несущая оболочка пожарного рукава состоит из отдельных нитей и не является однородным, сплошным материалом, каковым является стенка стальной трубы.
Помимо этого, непонятно почему в формулу (1.1) заложен внутренний диаметр D трубы или рукава, притом, что растягивающая сила, порождающая напряжение сг , действует посередине толщины стенки.
Вероятно понимая все сложности, возникающие при применении формулы (1.1) для расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии, автор отмечает (см. стр. 23 [12]) «....при расчете рукавов на прочность следует исходить из того, что ткань рукава состоит из отдельных прядей, а не представляет собой сплошное сечение».
Поэтому качество стенки рукава зависит от количества, толщины и плотности прядей и качества материала, из которого изготовлен рукав, и, следовательно, допускаемое напряжение на стенку также зависит от сорта рукава и может изменяться в значительных пределах».
Упрощенная математическая модель строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава и ее решение приближенными методами. Зависимости для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии
Система (2.32.. .2.48) получена для случая, когда на перемещения точек осевой линии нитей (прогибы) не накладывалось каких-либо ограничений. На её основе может быть выполнен расчет на гидравлическое воздействие ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава. Ткань несущей оболочки пожарного рукава относится к уплотненным тканям, как по основе, так и по утку, вследствие чего имеет относительно большие прогибы нитей.
Система (2.32...2.48) содержит 17 уравнений и столько же неизвестных: Ny,Qy, a, qy,q y, v,z,Nox,N0,Q0,(p,q0,q 0,x,y, а также неизвестные высоты волн изгиба нитей основы и утка Полученная нелинейная система уравнений, включающая дифференциальные уравнения, интегральные и геометрические соотношения в общем виде не имеет аналитического решения. Для решения этой системы затруднено использование методов прямого интегрирования, а наиболее эффективным методом её решения, по нашему мнению, является метод конечных разностей.
Полученный конечно-разностный аналог (2.93) математической модели (2.81...2.89) строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава представляют собой систему нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений, которые могут быть решены стандартными численными методами с использованием компьютерных технологий.
Решение системы (2.93) позволит определить такие важные параметры строения ткани несущей оболочки пожарного рукава, как форму осевой линии нити в ткани, ее длину, высоту изгиба нитей основы и утка и их отношение (порядок фазы строения ткани), силу давления между нитями и их смятие, уработку нитей, толщину и наполнение ткани волокнистым материалом и т. д. Перечисленные параметры строения ткани могут быть вычислены в зависимости от технологических плотностей ткани по основе и утку, жесткостных характеристик нитей и ряда других показателей.
Но наиболее важным с нашей точки зрения является то, что с помощью системы (2.93) может быть выполнен расчет на прочность ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава при известных гидравлическом давлении внутри пожарного рукава, натяжении основных нитей и других исходных параметрах. Анализ взаимодействия нитей в ткани несущей оболочки пожарного рукава показал, что ее прочность при гидравлическом воздействии в основном зависит от прочности уточных нитей, в связи, с чем чрезвычайно важно определить натяжение в них, что может быть выполнено на основе численного решения системы (2.93). Если расчетное натяжение в уточных нитях будет ниже натяжения в них при разрыве, прочность тканевой несущей оболочки пожарного рукава будет обеспечена, и наоборот, если расчетное натяжение в нитях утка окажется равным или выше натяжения в них при разрыве, то прочность тканевой несущей оболочки пожарного рукава не будет обеспечена и пожарный рукав не выдержит данного гидравлического давления.
Полученный конечно-разностный аналог (2.93) математической модели (2.81...2.89) строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава может быть положен в основу методики по прочностному расчету и проектированию новых пожарных рукавов.
Упрощенная математическая модель строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава и ее решение приближенными методами. Зависимость для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии
Отличительной особенностью ткани несущей оболочки пожарного рукава, находящейся под действием внутреннего гидравлического давления, в сравнении с другими тканями технического назначения является воздействие на уточные и основные нити больших по величине растягивающих усилий, достигающих нескольких сотен ньютонов, а также больших сил взаимного давления между нитями. Появление этих силовых факторов обусловлено действием гидравлического давления внутри пожарного рукава. Из-за больших сил взаимного давления между нитями имеет место сильное смятие нитей в радиальном направлении. Большие по величине растягивающие усилия при сильном смятии нитей в радиальном направлении вызывают существенное "уменьшение кривизны нитей, они становятся более пологими, вследствие чего такие характеристики осевых линий нитей как прогибы, углы поворота поперечных сечений, высоты волн изгиба нитей могут быть отнесены к малым величинам. На основании этого считаем малыми величинами высоты волн, прогибы, углы, характеризующие положение осевых линий нитей основы и утка в ткани пожарного рукава.
Подтверждение достоверности теоретических положений и соотношений для прочностного расчета латексированных напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии
Выявленная тенденция увеличения разрывного давления пожарного рукава с уменьшением геометрических плотностей по основе и утку нитей несущей тканой оболочки может быть обоснована с точки зрения логики. Действительно, уменьшение геометрической плотности по основе L0 нитей несущей тканой оболочки пожарного рукава приводит к уменьшению участков приложения нагрузки интенсивностью Цгу (рис. 2.1, а), зависящей согласно (2.2) от давления внутри пожарного рукава. Следовательно, чтобы соответствующее одному и тому же разрывному усилию уточной нити давление ЯГУ оставалось прежним, и равновесие элемента уточной нити не было нарушено, должно возрасти давление внутри пожарного рукава. Уменьшение геометрической плотности по утку Ly также приводит к уменьшению участков приложения нагрузки интенсивностью Яго (рис. 2.1, б), зависящей согласно (2.3) от давления внутри пожарного рукава. Следовательно, необходимо меньшее давление q0 (рис. 2.1, б), противодействующее нагрузке интенсивностью Яго Давление q0 связано с давлением qy , действующим со стороны основы на уточину в зонах контакта нитей, соотношением (2.71). Таким образом, уменьшение геометрической плотности по утку Ly также приводит к уменьшениюq y, которая косвенно зависит от давления внутри пожарного рукава. Следовательно, и в данном случае, чтобы соответствующее одному и тому же разрывному усилию уточной нити давление qy оставалось прежним, и равновесие элемента нити не было нарушено, должно возрасти давление внутри пожарного рукава, от которого qy , хотя и косвенно, зависит.
Установленная тенденция увеличения разрывного давления пожарного рукава с уменьшением геометрических плотностей по основе и утку нитей несущей тканой оболочки может -быть обоснована и иначе: на рассматриваемый отрезок нити утка (рис. 2.1, а) приходится нагрузка от гидравлического давления внутри рукава, действующего на полоску длиной 2L0 и шириной Ly, а на рассматриваемый отрезок нити основы (рис. 2.1, б) приходится нагрузка от гидравлического давления внутри рукава, действующего на полоску длиной 2Ly и шириной L0. С уменьшением геометрических плотностей по основе и утку нитей Lo и Ly, уменьшаются площади этих полосок, а, следовательно, уменьшатся и нагрузки, приходящиеся на рассматриваемые отрезки нитей. В этом случае при одном и том же разрывном усилии уточной нити равновесие рассматриваемого отрезка нити утка будет сохранено лишь при более высоком значении гидравлического давления внутри пожарного рукава..
Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что разрывное давление латексированного напорного пожарного рукава, то есть его прочностные характеристики при гидравлическом воздействии, существенно зависят от геометрических плотностей по основе и утку нитей несущей тканой оболочки, что важно учитывать при проектировании новых пожарных рукавов. Уменьшение геометрических плотностей по основе и утку нитей несущей тканой оболочки пожарного рукава (если есть для этого технологические возможности) представляется нам наиболее эффективным путем увеличения прочностных характеристик пожарного рукава при гидравлическом воздействии в отличие от непосредственного увеличения разрывных усилий уточных нитей, так как последнее связано при неизменности материала нитей (например лавсан) с увеличением их диаметра, а следовательно и с увеличением затрат на сырье при производстве пожарных рукавов. Более того, затраты на сырье при производстве пожарных рукавов могут быть сокращены, если изготавливать из нитей меньшего диаметра более плотные по основе и утку ткани несущих оболочек пожарных рукавов при неизменности их прочностных характеристик при гидравлическом воздействии, что на наш взгляд технологически возможно. Теоретическое обоснование этого и необходимые расчеты могут быть выполнены по формуле (2.1 18).
Следует также отметить, что использование нитей меньшего диаметра при производстве пожарных рукавов необходимо увязывать с их стойкостью к абразивному износу и контактному прожигу, согласно требованиям ГОСТ Р 51049-97 [1]. 4.3 Влияние диаметров нитей основы и утка тканой несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного давления
Исследование влияния диаметров нитей основы и утка ткани несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного давления проводилось на основе формулы (2.118).
На рис. 4.4, и рис. 4.5 показаны зависимости величин разрывных давлений от диаметров нитей основы и утка ткани несущей оболочки латексированного напорного пожарного рукава диаметром 89 мм, рассчитанного на рабочее давление 1,6 МПа.
Анализ зависимостей показывает, что разрывное давление пожарного рукава несущественно возрастает с увеличением диаметров нитей основы и утка ткани его несущей оболочки [179], [180]. Следует отметить, что нами для исследования влияния исключительно диаметров нитей тканой несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного давления получены эти зависимости при неизменности разрывного усилия уточной нити, хотя в реальности диаметр нити и ее разрывная нагрузка взаимосвязаны.
Влияние диаметров нитей основы и утка тканой несущей оболочки пожарного рукава на величину его разрывного давления
Для расчета разрывного внутреннего гидравлического давления рразр в пожарном рукаве по формуле (2.118) необходимо также задаться значениями геометрических плотностей по основе Lo и утку Ly. Результаты представленных выше исследований показали, что геометрические плотности по основе и утку тканой несущей оболочки пожарного рукава наряду с разрывным усилием уточной нити оказывают наиболее сильное влияние на величину его разрывного давления (см. рис. 4.2, и рис. 4.3), то есть на его прочностные характеристики при гидравлическом воздействии. Как уже отмечалось, с уменьшением геометрических плотностей по основе и утку нитей L0 и Ly, уменьшаются площади полосок с приложенным к ним гидравлическим давлением приходящиеся на рассматриваемые отрезки нитей, а, следовательно, уменьшатся и нагрузки, воспринимаемые этими отрезками нитей. В этом случае при одном и том же разрывном усилии уточной нити равновесие рассматриваемого отрезка нити утка будет сохранено лишь при более высоком значении гидравлического давления внутри пожарного рукава.
Выше уже отмечалось, что уменьшение геометрических плотностей по основе и утку нитей несущей тканой оболочки пожарного рукава по нашему мнению является наиболее эффективным путем увеличения прочностных характеристик пожарного рукава при гидравлическом воздействии в отличие от непосредственного увеличения разрывных усилий уточных нитей, так как последнее при одном и том же материале нитей и их структуре связано с увеличением затрат на сырье при производстве пожарных рукавов.
Однако увеличение прочностных характеристик (разрывного давления) пожарного рукава при гидравлическом воздействии может привести к тому, что фактическое разрывное давление существенно превысит минимальные требования ГОСТа Р 51049-97 по разрывному давлению. Тогда появляется резерв для уменьшения разрывных нагрузок нитей, что обеспечивается при неизменности их материала и структуры уменьшением их линейных плотностей, диаметров используемых нитей, а, следовательно, приведет, по нашему мнению, не только к экономии сырья, но и к уменьшению веса погонного метра проектируемого пожарного рукава.
В этом и состоит суть предложенной нами методики рационального проектирования пожарных рукавов, обеспечивающих минимальный расход материала для производства тканой несущей оболочки (тканого каркаса) при обязательном обеспечении запаса прочности пожарного рукава, выражающегося согласно ГОСТ Р 51049-97 в превышениях минимального разрывного давления над рабочим давлением.
При использовании данной методики следует принимать во внимание, что использование нитей меньшего диаметра при производстве пожарных рукавов необходимо увязывать с их стойкостью к абразивному износу и контактному прожигу, согласно требованиям ГОСТ Р 51049-97 [1].
Следует также отметить, что если будут заданы слишком малые геометрические плотности по основе и утку нитей L0 и Ly несущей тканой оболочки пожарного рукава, то изготовление такого по плотности тканого каркаса станет невозможным из-за ограниченности технологических возможностей станка, на котором он изготавливается. В этом случае необходимо задаваться несколько большими значениями геометрических плотностей по основе и утку нитей Lo и Ly несущей тканой оболочки пожарного рукава и повторять расчет по формуле (2.118) до тех пор, пока не будет найдено наиболее рациональное сочетание всех параметров при обязательном соблюдении требований ГОСТа и возможности изготовления тканого каркаса с подобранными геометрическими плотностями на существующем оборудовании.
При изготовлении несущих тканых оболочек пожарных рукавов необходимо знать заранее затраты сырья, которые могут быть определены на основе методики [188].
После прочностного расчета и выбора рациональных параметры тканой несущей оболочки (тканого каркаса) пожарного рукава на основе предлагаемой методики рационального проектирования напорных пожарных рукавов с заданными характеристиками прочности (стр. 109) переходят к следующим основным этапам изготовления и введения в эксплуатацию новых напорных пожарных рукавов (рис. 4.7).
Если в результате испытаний будет установлено, что изготовленный пожарный рукав не соответствует требованиям ГОСТа по относительному удлинению рукава и относительному. увеличению диаметра рукава при рабочем давлении, стойкости к абразивному износу, стойкости к контактному прожигу рукава, массе рукава длиной 1 м, то есть по тем параметрам, которые в той или иной степени зависят от параметров тканой несущей оболочки пожарного рукава, то необходимо будет повторить расчет и спроектировать тканый каркас пожарного рукава на основе предлагаемой методики так, чтобы его параметры удовлетворяли перечисленным требованиям ГОСТа.
На основе полученного соотношения для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии исследовано влияние таких факторов как разрывное усилие уточных нитей, радиус рукава, геометрические плотности по основе и утку, диаметры нитей основы и утка, коэффициенты вертикального смятия нитей на разрывное давление в латексированных напорных пожарных рукавах производства НПО «БЕРЕГ», рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа.
![Исследование и анализ строения льняных тканей в процессах их изготовления и эксплуатации [Электронный ресурс]](/i/i/4506/169660.png "Исследование и анализ строения льняных тканей в процессах их изготовления и эксплуатации [Электронный ресурс] Томилова Ольга Валерьевна")