Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса в области разработки и применении эластичных торообразных приводов 14
1.1 Виды внутритрубных приводов, условия работы и технические требования к ним 14
1.2 Сущность конструкции и возможные области применения эластичных торообразных приводов 16
1.3 Анализ результатов патентного исследования конструкции и способов применения эластичных торообразных приводов 20
1.4 Анализ известных результатов исследований в области разработки и применения эластичных торообразных приводов 25
1.5 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 29
2 Результаты теоретического исследования эластичного торообразного привода 32
2.1. Разработка и результаты исследования кинематической части математической модели торообразпого привода 32
2.2 Результаты исследования влияния параметров компрессора и торообразного привода на его кинематику с использованием кинематической части математической модели 42
23 Разработка энергосиловой части математической модели торообразного привода 48
2.4 Определение зависимостей для прочностного расчёта эластичного торообразного привода 57
2.5 Выводы по главе 2
3 Методика экспериментального исследовании 72
3.1 Задачи экспериментального исследования и его методического обеспечения 72
3.2 Выбор целевых функций и факторов эксперимента 73
3.3 Методика определения тягового КПД торообразного привода 74
3.4 Разработка стенда для экспериментального исследования торообразного привода 75
3.5 Определение основных параметров методического обеспечения экспериментального исследования 83
3.6 Автоматизация экспериментального исследования торообразного привода 85
3.7 Выводы по главе 3 91
4 Результаты экспериментального исследования эластичного торообразного привода 93
4.1 Тяговые свойства торообразного привода в зависимости от влияния технологических факторов 93
4.2 Тяговые свойства торообразного привода в зависимости от влияния диаметра трубопровода 96
4.3 Тяговые свойства торообразного привода в зависимости от влияния его собственных факторов (длины, диаметра, толщины стенки камеры, внутреннего давления воздуха) 99
4.4 Определение наличия и величины «юза» и буксования тора 104
4.5 Определение зависимостей для расчёта тяговых свойств эластичного торообразного привода 105
4.6 Обоснование исходных технических требований к материалам элементов торообразного привода 118
4.7 Оценка адекватности реальным условиям и корректировка математической модели процесса работы торообразного привода 123
4.8 Выводы по главе 4 130
Основные выводы и результаты работы 132
Список использованных библиографических источников
- Сущность конструкции и возможные области применения эластичных торообразных приводов
- Результаты исследования влияния параметров компрессора и торообразного привода на его кинематику с использованием кинематической части математической модели
- Выбор целевых функций и факторов эксперимента
- Тяговые свойства торообразного привода в зависимости от влияния диаметра трубопровода
Введение к работе
Актуальность темы диссертации определяется высокой потребностью в приводах для внутритрубных перемещений различных рабочих органов, технологической оснастки, продуктов и материалов при прокладке, ремонте и эксплуатации трубопроводов, включая их очистку, поиск дефектов, удаление остатков жидкости, нанесение защитных покрытий, транспортирование материалов, установку временных заглушек и др. Потребность в таких приводах вызвана большой протяжённостью в России трубопроводов (более 2 млн. км, из них только в жилищно-коммунальном хозяйстве около 1 млн. км), высокой их изношенностью (50 и более процентов), стоимостью и длительностью ремонта. Поэтому разработка методики проектирования таких приводов является важной народнохозяйственной задачей, решаемой в диссертации.
В результате анализа состояние вопроса в области исследования и создания внутритрубных приводов для применения при прокладке, бестраншейном ремонте и эксплуатации трубопроводов было установлено, что для этих целей в настоящее время используются пневмо и гидроприводы поршневого типа. Однако они, вследствие трения скольжения и жёсткости конструкции, подвержены износу, обладают большой энергоёмкостью и низкой проходимостью через сужения, изгибы и др. препятствия. Кроме поршней достаточно широко применяются приводы лебедочного типа, а так же пневмомолоты. Однако их область применения ограничена участками трубопровода небольшой длины и возможностью выполнения сравнительно небольшого перечня операций. В последнее время для одновременной перекачки различных продуктов без их смешения и очистки трубопроводов при их эксплуатации в качестве внутритрубных приводов стали внедряться гелеобразные поршни, которые обладают высокой проходимостью, но недостаточно универсатьны, не обеспечивают привод рабочих органов и
технологической оснастки, сравнительно дороги, исключают возможность нанесения оклеенных покрытий.
Указанные недостатки известных приводов требуют поиска новых
более эффективных конструкций и приводов для внутритрубных
перемещений. С этой целью перспективным может быть использование
эластичных торообразных приводов, которые привлекают своей
многофункциональностью, простотой конструкции, высокой проходимостью,
малым весом и габаритами. Однако исследованиями этих торообразных
устройств (приводов, тканевых, металлических и др. конструкций)
занимается сравнительно небольшая группа специалистов:
В, Н, Белобородое, В. А. Волосухии, В, И, Емелин, А. Н. Ли, В, В, Шишкин и некоторые другие. В результате ими разработаны конструкция, технологии изготовления и применения торов, определены рациональные значения некоторых конструктивных и технологических параметров.
В тоже время эффективность применения эластичных торообразных приводов для внутритрубных перемещений в значительной мере ограничивается отсутствием результатов исследований их кинематических, прочностных и тяговых свойств, а так же закономерностей изменения характеристик этих свойств в зависимости от комплекса факторов, определяемых трубопроводом, технологией ремонта и конструкцией самого привода. Для восполнения этого пробела и выполнена рассматриваемая исследовательская работа.
Объектом исследования является эластичный торообразный привод, который в зависимости от конкретной технологии применения может выполнять так же функции механизма, движителя и даже машины (пневмогидроцилиндра, транспортного средства, тягача, толкача, насоса, устройства для нанесения покрытия внутри трубы и др.). Исследуемой схемой воздействия привода на рабочие органы и перерабатываемые материалы принята схема толкача, В работе преимущественно используется
термин «эластичный торообразный привод», а также его сокращённые варианты: «ЭТП» и «тор».
Цель исследования - разработка методики проектирования эластичного торообразного привода для внутритрубных перемещений, включая выбор его параметров, прочностной расчет и определение тяговых свойств.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
разработать математическую модель торообразного привода;
определить закономерности изменения кинематических характеристик торообразного привода;
найти зависимости для определения напряжений в характерных точках оболочки тора;
получить математические выражения для определения тяговых свойств торообразного привода.
Методика решения поставленных задач включает теоретические и экспериментальные методы исследования с использованием математического моделирования, планирования эксперимента и математической статистики. С целью снижения трудоёмкости экспериментов и повышения достоверности их результатов разработан, изготовлен и применён автоматизированный стенд, обеспечивающий измерение, сохранение, обработку и распечатку основных экспериментальных данных и зависимостей.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
математическая модель ЭТП, учитывающая диаметр и длину тора, толщину стенки камеры, внутреннее давление воздуха, диаметр трубопровода, расход и давление движущего тор воздуха, тяговое усилие и КПД тора;
закономерности изменения кинематических характеристик ЭТП в зависимости от параметров трубопровода, технологии и конструкции тора;
3) зависимости тяговых свойств ЭТП от диаметра трубопровода, давлений воздуха в торе и движущего тор, его размеров, толщины камеры и нагрузки.
Основным практическим результатом работы является методика проектирования ЭТП, включая выбор его параметров, прочностной расчёт и определение тяговых свойств.
Достоверность полученных результатов обеспечена адекватностью математической модели натурным условиям; необходимым объемом экспериментальных исследований; сходимостью теоретических и экспериментальных данных; применением автоматизированного стенда.
Апробация работы. Результаты исследования рассмотрены: на научной конференции «Молодежь и наука — третье тысячелетие» (г. Красноярск, 1999 г,); VII всероссийской студенческой научной конференции «Экология и проблемы защиты окружающей среды» (г, Красноярск» 2000 г.); 35-й юбилейной региональной конференции «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края» (п Красноярск, 2000 г.); межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Студенческая наука -городу и краю» (г. Красноярск, 2000 г.); VIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2002 г.); всероссийской выставке «Научно-техническое творчество молодёжи НТТМ-2002» (г. Москва, 2002 г.) с получением диплома; научно-практической конференции с международным участием «Транспортные системы Сибири» (г. Красноярск, 2003 г.).
Результаты исследований опубликованы в 17 статьях [1-17], двух методических разработках [18, 19] и 5 тезисах докладов на конференциях [20-24]. Поданы две заявки па изобретения, по одной из которых получено положительное решение Роспатента [25].
Практическое использование:
1) результаты работы внедрены институтами СибНИИГиМ и
«Красноярский Гидропроект» при бестраншейном ремонте трубопроводов
Есаульской оросительной системы в Красноярском крае и водопровода в
г. Дивногорске;
2) результаты исследования используются в учебном процессе КГТУ.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично
автором:
впервые составлена математическая модель работы ЭТП, позволяющая определять и прогнозировать его кинематические и энергосиловые характеристики с учётом влияния комплекса факторов;
определены закономерности изменения кинематических, прочностных и тяговых характеристик эластичного торообразного привода в зависимости от параметров трубопровода, технологии и конструкции тора;
Автором также разработан, изготовлен и применён стенд для экспериментального исследования, проведены эксперименты и обработаны их результаты. Постановка задач и разработка методики исследования выполнены совместно с научным руководителем.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,
четырёх глав, заключения, приложений и списка использованных
источников. Объём работы j6% страниц, в том числе $3 рисунка,
6 таблиц, iSO наименований библиографических источников
литературы и двух приложений на f страницах.
Автор выражает благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту В. И. Емелину за чуткое руководство и большую помощь при проведении исследования и оформлении работы. Так же автор благодарен сотрудникам кафедр СДМ и ОиТСП (КГТУ), фирмы ИзоТор и всем участникам научного семинара по обсуждению работы за полезные замечания и конструктивную критику.
Сущность конструкции и возможные области применения эластичных торообразных приводов
Интенсивное развитие трубопроводного транспорта, огромная протяжённость эксплуатируемых в России трубопроводов и высокий их износ определяют большую потребность в приводах для внутритрубных перемещений рабочих снарядов, технологической оснастки, материалов и других тел. В связи с этим из всех достаточно известных подобных приводов в работе исследуется менее известный, слабо изученный эластичный торообразный привод, рисунок 1.1. Используемый в этом приводе так называемый вырожденный тор отличается от обычного, имеющегося в нашем представлении тора как геометрической фигуры тем, что вытянут в длину, выполнен полым, заполнен воздухом, имеет эластичную камеру и гибкую не эластичную покрышку, а его продольное отверстие сомкнуто, рисунок 1.1 а. Применение такого тора основано на его способности перекрывать поперечное сечение трубопровода и передвигаться в нём качением под действием разности давлений воздуха на его концах рт, рисунок 1.1, б.
Для определения области применения рассматриваемого эластичного торообразного привода следует, прежде всего, определиться с возможностью выполнения им конкретного перечня операций (функций). Поскольку работа такого привода, исходя из его принципа действия, возможна, прежде всего, внутри трубопроводов, то имеет смысл встроить его в операции и процессы, связанные с прокладкой, ремонтом и эксплуатацией трубопроводов. Изучение пооперационной структуры этих процессов, принципа действия и возможностей горообразных приводов показало, что с их оеполь ж-шиом при прокладке трубопроводов можеі шпоешься защитное покрытие, проводці ьсн диагностика, при эксплуатации непрерывная перекачка различных по еоега&у жидкосіей и HROH без ич смешения п шшроль за состоянием фубонронода. Но особенно большое количество операций может быть выполнено тгим. приводом при ремонте трубопроводов п. в чае-июегй, при наиболее эффективном ні методой - бестріи-нпешкш ремоше. реал туе моїй множеством пюеоаов.
Для выявления возможных оиераини с использованием рассматриваемого привода, составим кд&ееифивдцию способа ремой і а трубопроводов, Піжтшніш на рисунке 1.2 предлагаемая классификация таких еиоеоСнш з roc Ї роена в результате обобщения работ [ 16 - 66] и дополнена, по сравнению е другими известными заеенфиищийми J46 49}, рядом новых или м юм:шеаных способов, в частности, с использованием рассматриваемых глееь горообразных приводов, а так же - лепестковых расширителей, рйсж&гчйшт сшштш и др.
В с представленной кдасеифи&аішей, рисунок К2Ч вес оеетргшшейныо способы предлагается разделить па две группы: с разрушением старого трубопровода и без разрушения. Первая из них, в свою очередь, делится на две подгруппы: с разрушением динамическим усилием и статическим. Ремонт с разрушением старого трубопровода проводится, когда он имеет неустранимые повреждения, сильно изношен или необходимо увеличить его диаметр. Для разрушения трубопровода используются пневмопробойники [47, 50 - 53], раскатчики [47, 54], лепестковые расширители [46, 47] и разрушающие головки (с уширителем или без), проталкиваемые или протаскиваемые в старую трубу статическим усилием из вне [47].
Бестраншейные способы ремонта трубопроводов без разрушения старой трубы предусматривают образование защитного слоя па ее внутренней поверхности или создание (или введение) новой трубы внутри старой. В классификадии эту группу способов ремонта можно условно разделить, в зависимости от применяемой технологии, на три подгруппы: созданием (или введением) новой трубы в старой [47 5 54, 55], окрашиванием [46, 52, 56, 57] и оклеиванием старой трубы [58 - 60], Каждая из этих подгрупп может быть реализована по различным указанным на рисунке L2 технологиям. Здесь более подробно рассмотрим только те технологии ремонта, которые основаны на использовании горообразных приводов.
Нанесение покрытия в жидком виде перемещением защитного состава между двух устройств (поршней, торов и т. п.)т Основой способа являются устройства, способные перекрывать трубопровод в поперечном сечении и двигаться под действием разности давлений. Этими устройствами могут быть: поршни (покрывные снаряды, гелевые поршни [61], пробки [62], манжеты) и торообразные приводы [57, 63 - 66]. При установке и перемещении в трубопроводе двух таких устройств с промежутком между ними, заполненном защитным составом, на внутренней поверхности трубы образуется окрасочный след, который при затвердевании образует защитное покрытие. Применяют эту технологию фирмы: MAGNOFLUCS и СибНИИГиМ.
Ремонт оклеиванием с использованием рукава. Сущность способа основана на приклеивании к внутренней поверхности гибкого рукава [46, 58 - 60], Разработано несколько вариантов этого способа, отличающихся операциями протягивания рукава через трубопровод и его прижатия к внутренней поверхности [47, 59]. Рукавную технологию ремонта ірубопроводов применяют СибНИИГиМ, ООО «Комстек», ДГУП «Сант», Preussay Rohrsanienmg, Insutiform и др. фирмы.
Ремонт оклеиванием с использованием торообразных приводов [60] по технологии СибНИИГиМа основан на протаскивании торами предварительно смоченного клеем и сложенного в спираль тканевого полотнища через трубопровод с одновременным его расправлением одним тором и прикатыванием вторым
Результаты исследования влияния параметров компрессора и торообразного привода на его кинематику с использованием кинематической части математической модели
Допуская что сопротивления R\ и R2 прямо пропорциональны толщине камеры тора и давлению воздуха в нем, Л3 обратно пропорционально диаметру трубопровода, a R4 равно постоянной величине, получим R kfii R2=k2pBH; R2= ; R,=k4, (2.23) где k\, k2, k k4 - коэффициенты пропорциональности, подлежащие определению экспериментальным путем (см. параграф 4.4); 5 - толщина стенки камеры тора, м; рЫ1 - внутреннее давление воздуха в торе, Па. После подстановки выражений (2.22) и (2.23) в выражение (2.20) получим Я1 = к- -кіЬ-кгрш- -кл. (2.24) Часто приходится решать и обратную задачу по определению необходимого давления воздуха, создаваемого компрессором, чтобы обеспечить требуемое тяговое усилие тора для преодоления тех или иных рабочих сопротивлений. В этом случае, используя уравнение (2.24), получим
Проанализируем выражение (2,24) с позиций влияния на тяговое усилие не только отдельных входящих в это выражение величин, но и влияния взаимодействий между величинами и, в частности, между рт и pRil, между D и т. Очевидно, что стабильное движение торообразного привода качением и создание необходимого тягового усилия возможно только в случаях, когда А , (2.26) где D-j - диаметр тора при измерении вне трубопровода, м.
В противном случае у тора не будет опорной площадки для перекатывания в трубопроводе и необходимой герметичности па контакте по его наружной поверхности. Следует также учитывать, что движущее тор давление воздуха не может быть больше давления в торе, так как последний, в этом случае, будет работать в режиме перепускного клапана, стравливая избыток давления воздуха через сомкнутое продольное отверстие и контакт между трубопроводом и тором в пространство трубопровода, расположенное перед тором. Учитывая сказанное, в случае управления движущим давлением воздуха его не следует назначать более давления воздуха в торе, а, в случае управления давлением в торе, последнее следует назначать превышающим движущее давление воздуха. В математическую же модель для исследования влияния движущего давления воздуха на параметры движения тора при paR ран следует подставлять рлв pRH, а соответствующее этому случаю ограничение для математической модели процесса движения тора должно быть записано в виде
Рм рш. {221) Кроме этого, как было установлено А. Н. Ли [64], для обеспечения качения тора и исключение «юза» необходимо создание на его контакте с трубопроводом достаточного трения, т. е. должно выполняться условие де рвн р D ЧЛ (2.28) где /ц - длина цилиндрической части тора, м; /с - коэффициент трения скольжения (покоя) между покрышкой тора и стенкой трубопровода (определён в главе 4).
С учетом выявленных ограничений параметров тора и процесса его движения выражения (2.24, 2.25) предлагается записать в виде системы уравнений (2.29) при KJ_ tf_kib_kiPtH_h_K RTD + kt5D + k7pmD + к3 + ktD K, D Р„=4 R f tf-kfi-k - -K при Движение качением без перстечки воздуха через тор D Ч/с D, D Движение качением с перетечкой воздуха через тор D Рш Рш Р, Ч/с D, D (2.29) R,=0 при DT D
При :9 - const; D- const (в пределах L); а-180; (-0 Выбор целесообразности применения тора зависит от его способности в тех или иных условиях выполнять нужные функции с максимальным тяговым КПД, который является важнейшей энергетической характеристикой торообразмого привода. Для расчета КПД в соответствии со стандартами [116 - 119] и работами [113, 120 - 123] необходимо составить мощностной баланс движения тора N = N ±N ±N +N + N ±N ±N +N +N (2 ЗОЇ где уУди — мощность двигающего тор потока воздуха, Вт; Nt — мощность, расходуемая на движение тора в трубопроводе без сужений, уклонов и изгибов, Вт; Nyj и Л н - мощность, идущая на преодоление тором и воздухом уклонов в трубопроводе, Вт; JVHT И NKQ - мощность, расходуемая на изменение скорости движения тора и воздуха в трубопроводе, Вт; А згт и А зг.в _ мощность, необходимая для прохождения тором и воздухом изгибов трубопровода, Вт; А в - мощность, идущая на выталкивание из трубопровода воздуха при движении тора, Вт; Л тяг — тяговая мощность, расходуемая на перемещение рабочего оборудования и материалов (щеток, скребков, полимерного защитного состава и т. п.), Вт.
На начальной стадии рассмотрения примем, что движение тора происходит: без буксования (это допущение будет проверено в главе 4); без сопротивления воздуха; в трубопроводе без сужений, изгибов, подъемов и уклонов; с установившейся постоянной скоростью 3 - т. е., Л - jVyB = 0; Кт = ЛГИ = 0; JVmrT = AW,« = 0; N = 0; D = const; a = 180; і - 0; Э = const-Приняв эти допущения, уравнение (2.30) примет вид Л дв = К + Кхг . (2.31) Из уравнения (231) видно, что потери мощности происходят только в торс на преодоление трения качения и внутреннего трения. При этом тяговый КПД торообразного привода может быть определен по аналогии с тяговыми машинами с учётом действующих для них стандартами [116 - 119] по формуле
Выбор целевых функций и факторов эксперимента
Учитывая, что большинство технологических функций торообразного привода реализуется за счёт его основной возможности — создания силы тяги, в качестве основной целевой функции, по аналогии с транспортными машинами, принят тяговый КПД, а в качестве дополнительных -максимальное тяговое усилие и движущее тор давление воздуха. При этом в процессе выбора целевых функций учитывались общепризнанные в теории планирования эксперимента [126 - 130] требования к ним, В частности, они должны иметь количественное выражение, отражать эффективность устройства или процесса, обладать доступной для понимания физической сущностью, быть однозначными, легко измеряемыми или вычисляемыми.
В качестве основных групи факторов для исследования отобраны 3 из 7 анализируемых, а в качестве существенных факторов 11 из 34 анализируемых. Выбор основных факторов производился с учётом анализа состояния вопроса (гл. 1), результатов теоретического исследования (гл. 2), пробных экспериментов и применения метода экспертной оценки в соответствии ГОСТ 23551Л - 79 [131], ГОСТ 23554.2 - 19 [132]. При этом в число основных факторов включались такие, которые по имеющейся ограниченной информации должны оказывать наибольшее влияние на основную целевую функцию - тяговый КПД. В результате такого анализа в число основных вошли 3 группы факторов: среды (трубопровода), торообразного привода и технологии. В число факторов этих групп соответственно вошли: 1) диаметр трубопровода; 2) диаметр тора, его длина, внутреннее давление воздуха, толщина камеры; 3) движущее тор давление воздуха, его расход и полезная нагрузка. 3.3 Методика определения тягового КПД торообразного привода Тяговый КПД тора как доля полезно используемой мощности от всей затраченной является расчётной величиной. Для её определения использовано уравнение (3.1), полученное автором в работе [3] Л Л + К (3.1) где Naa - мощность потока двигающего тор воздуха, Вт; Nnr - тяговая мощность привода, расходуемая на преодоление полезного сопротивления, Вт; Nr - мощность, расходуемая на движение тора, Вт. Тяговый КПД торообразного привода может быть определен по формуле П = . (3.2) Мощности N-nr и Л дл могут быть выражены через силы и скорости Nm = RmB, (3.3) Л г ярЗ, (3.4) Подставим уравнения (3.3) и (3.4) в равнение (3.2), получим Силу движущего тор потока воздуха Rm можно найти по формуле TiD p =—г - (3-6) Подставив уравнение (3.6) в (3.5), получим (з-7) 3.4 Разработка стенда для экспериментального исследования торообразного привода 3,4.1 Общие положения и технические требования к стенду
Полученные результаты теоретического исследования должны быть проверены экспериментальным путем. При этом с целью уменьшения затрат труда, времени и денежных средств основной объем экспериментов решено выполнить в лабораторных условиях на стенде с применением моделей трубопроводов сравнительно небольших диаметров.
Перед разработкой стенда на основе анализа работ [126 - 130, 133 -147] был сформулирован и учтен ряд технических требований к его конструкции. Для их удовлетворения конструкция стенда должна обеспечивать: 1) адекватность работы торообразного привода натурным условиям; 2) возможность работы торообразного привода в режиме толкача; 3) соответствие материала и шероховатости моделей трубопроводов на стенде материалу и шероховатости существующих трубопроводов; 4) возможность создания, измерения и изменения разности давлений воздуха на концах трубопровода (от 0 до 150 кПа); 5) малые габариты (в пределах письменного стола); 6) возможность быстрой сборки и разборки без применения специальных средств; 7) питание электрооборудования от сети переменного тока напряжением 220 В с потреблением мощности не более 1 кВт; 8) безопасность проведения экспериментов; 9) наличие в комплекте торов не менее двух типоразмеров по диаметру и не менее трёх типоразмеров по длине для каждого диаметра; длины торов основного типоразмера должны превышать их диаметр в три раза.
Патентный поиск и изучение научно-технической литературы показали, что стенды рассматриваемого назначения отсутствуют. Поэтому по предложенной автором конструктивной схеме был разработан и изготовлен стенд, удовлетворяющий исходным техническим требованиям. Поскольку торообразные приводы являются новыми, то стандартов на их испытания пока что не разработано. В связи с этим при разработке методики и оборудования для таких испытаний па данном этапе использовались основные принципы и положения, заложенные в государственных стандартах на проведение тяговых испытаний тракторов и бульдозеров на гусеничном и колёсном ходу [116- 119].
Тяговые свойства торообразного привода в зависимости от влияния диаметра трубопровода
В результате экспериментов были получены данные, по которым построены графики зависимостей движущего давления (рисунок 4Л) и скорости движения тора от нагрузки (рисунок 4,2) при различных давлениях воздуха в его камере. Далее, используя представленные па этих графиках данные об изменении скорости и тягового усилия, была получена зависимость мощности торообразного привода от нагрузки, рисунок 43.
Для получения основной характеристики тяговых свойств торообразного привода - тягового КПД и его зависимости от полезной нагрузки - использована методика параграфа 3.3. Эта зависимость показана на рисунке 4.4, при построении которой учтено влияние давления воздуха внутри тора и использованы данные рисунков 4Л — 43. Все установленные зависимости соответствуют трубопроводам с внутренним диаметром 69 мм при использовании торов диаметром 70 мм, длиной 210 мм с толщиной камеры 0,75 мм.
В результате исследования получены следующие выводы;
1, С увеличением давления воздуха внутри тора с 50 до 90 кПа максимально возможные тяговые усилия возрастают. Однако наибольший тяговый КПД при этом снижается с 42 до 32 %,
2, Установлено, что давление воздуха внутри торов должно находиться в диапазоне 30 - 90 кПа. При меньших давлениях снижается наибольшее тяговое усилие и нарушается устойчивое движение тора качением. При больших же давлениях увеличивается вероятность разрушения покрышки и камеры, растут потери мощности на передвижение тора, приводящие к снижению его тягового КПД.
3. Торообразный привод может находиться в следующих состояниях:
а) передвижение внутри трубы качением (рабочий наиболее эффективный режим); б) перемещение внутри трубы скольжением с незначительным контактом с ее стенками и перетечкой воздуха между складками тора, а также между его боковой поверхностью и стенками трубы (нерабочий режим); в) передвижение внутри трубы скольжением без перетечки воздуха (режим поршня, также нерабочий). Первый из них является рабочим и наиболее эффективным по критериям энергоемкости и обеспечения наибольших значений тягового усилия, второй практически не обеспечивает тяговых усилий, а третий является наиболее энергоемким и наименее надежным по величине износа и ресурсу тора. Состояние буксования у торообразного привода экспериментально не зафиксировано и не возможно в принципе, поскольку привод является ведомым звеном с поступлением энергии из вне в виде сжатого воздуха.
4. Оптимальные значения тяговых усилий, соответствующих максимальным тяговым КПД, составляют 80 - 90 % от предельно достижимых тяговых усилий.
Результаты экспериментального исследования влияния диаметра трубопровода на движущее тор давление воздуха показаны на рисунке 4.5. При этом зависимости построены с использованием торов диаметром, выбранным из условия исключения перетечки воздуха через тор, т. с. Z)T = 1,03/), длина тора в каждом случае соответствовала трём диаметрам тора (/ = 3DT), толщина стенки камеры 1 мм, при различных, указанных на рисунках значениях внутреннего давления воздуха. Влияние диаметров трубопровода исследовалось на трубах с внутренним диаметром 56, 69, 85 и 100 мм,
Анализ графика рисунка 4.5 показывает, что с увеличением диаметра трубопровода примерно в 2 раза движущее тор давление воздуха уменьшается с затуханием в 1,4 - 1,5 раз.
Результаты экспериментов по исследованию влияния диаметра трубопровода на тяговое усилие и КПД тора показаны на рисунках 4.6 и 4.7. При этом зависимости на рисунке 4.6 построены для различных значений толщины камеры тора в связи с чем увеличение диаметра приводит к снижению тягового КПД.
По зависимостям па рисунках 4.6 и 4.7 можно сделать вывод что увеличение диаметра, примерно в 2 раза приводит к увеличению тягового усилия и КПД в 1,6 раза.