Введение к работе
Актуальность задачи.
Трубопроводной арматурой оснащаются многие установки и агрегаты в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в металлургии и энергетике. Большое количество арматуры используется в авиастроении и судостроении, холодильной промышленности, жилищном и промышленном строительстве.
Развитие техники вызывает необходимость разработки и изготовления конструкций арматуры для разнообразных условий работы: диапазонов температур, давлений, вязкостей и других свойств различных сред, в которых работает арматура. Конструктору приходится решать задачи из многих областей: механики, гидравлики, трения и износа, коррозии, прочности и жесткости деталей. Одним из важнейших классов трубопроводной арматуры является запорная арматура – устройства, применяемые для включения или отключения трубопровода или объекта: задвижки, вентили, заслонки и т.д. Теоретические и экспериментальные исследования причин отказов или неэффективности затворов показали, что одними из слабых мест являются винты их привода.
Все типы шпинделей арматуры при закрывании подвергаются действию значительных сжимающих усилий. Для шпинделей, длина которых превышает диаметр более чем в 8 раз, обязательным является расчет на жесткость и продольную устойчивость. Шпиндель, как правило, состоит из двух частей: резьбовой и гладкой. Изгиб участка шпинделя с резьбой наблюдается значительно чаще и при этом может привести к повышению трения, как в резьбе передачи «винт-гайка», так и в сальниковом устройстве, что в свою очередь нарушает нормальное функционирование затвора вплоть до невыполнения им заданных функций.
По сравнению с расчетом стержней, расчет на продольный изгиб винтов передачи «винт-гайка» затворов трубопроводов имеет свои особенности, основными из которых являются:
- геометрические - начальные технологические несовершенства винта: эксцентриситет приложенной нагрузки и возможная кривизна оси;
- переменность модуля упругости по длине шпинделя вследствие возможного неравномерного нагрева его материала из-за высокой температуры перемещаемой среды;
- упрочняющее влияние резьбы по отношению к внутреннему диаметру.
Рассмотрение таких особенностей при моделировании продольного изгиба винта при закрытии затвора является не только актуальным, но и необходимым, так как не учет столь важных факторов может существенно исказить результаты. Отмечая большой вклад Гуревича Д.Ф., Протасова В.Н., Шпакова О.Н. и других известных ученых арматурщиков, в повышение качества и надежности трубопроводной арматуры, следует отметить, что, до сих пор нет надежных теорий и приемлемых с инженерной точки зрения методов расчета, позволяющих при проектировании приводов затворов рассчитывать рациональные параметры винтов, обеспечивающие эффективную работу затворов.
Цель работы: обоснование рациональных параметров винтов передачи «винт-гайка» затворов трубопроводов, обеспечивающих сохранение продольной устойчивости винтов и работоспособность затворов при докритическом изгибе с учетом реальных условий нагружения и геометрических особенностей винтов.
Задачи исследования:
1. Моделирование нагружения и потери продольной устойчивости винтом привода затвора трубопровода с учетом геометрических особенностей конструкции - начальных технологических несовершенств винта: эксцентриситета приложенной нагрузки и начального прогиба оси.
2. Моделирование нагружения и потери продольной устойчивости винтом привода затвора трубопровода с учетом переменности модуля упругости по его длине вследствие возможного неравномерного нагрева его материала.
3. Определение периодического изменения момента инерции поперечного сечения винта по его длине, проверка адекватности предложенных моделей по результатам имеющихся экспериментальных исследований поперечного изгиба винта и учет поддерживающего влияния резьбы при расчете винта на продольную устойчивость.
4. Определение изменения момента инерции поперечного сечения винта в результате его изгиба и последующий учет влияния уменьшения жесткостных характеристик на параметры продольной устойчивости винтов затворов трубопроводов.
5. Разработка методики расчета винта затвора трубопровода на продольную устойчивость, учитывающую геометрические особенности конструкции затвора, условия нагружения, поддерживающее влияние резьбы и уменьшение жесткости винта при его изгибе.
Объект исследования: винты затворов трубопроводов.
Предмет исследования: силовое нагружение винтов затворов трубопроводов, приводящее к продольному изгибу винта.
Научная новизна состоит в разработке физических и математических моделей, описывающих силовое нагружение винтов привода затворов трубопроводов, с учетом геометрических, технологических особенностей конструкции и особых условий нагружения: переменности модуля упругости по длине винта вследствие возможного неравномерного нагрева его материала; поддерживающего влияния резьбы и уменьшения жесткостных характеристик винтов вследствие их изгиба.
Научные положения, выносимые на защиту:
- модель нагружения и потери продольной устойчивости винтом привода затвора трубопровода с учетом переменности модуля упругости по длине винта вследствие возможного неравномерного нагрева его материала;
- способ определения и зависимость, учитывающие периодичность изменения момента инерции поперечного сечения винта по его длине;
- способ учета поддерживающего влияния резьбы при расчете винта на продольную устойчивость и математические зависимости, связывающие геометрические параметры винта с его силовым нагружением;
- аналитическая взаимосвязь изгиба винта и уменьшения момента инерции его поперечного сечения и модели учета этого явления при расчете винта на продольную устойчивость;
- методика расчета винта затвора трубопровода на продольный изгиб, учитывающая особенности конструкции затвора, условия нагружения, поддерживающее влияние резьбы и уменьшение жесткости винта при его изгибе.
Методы исследования.
Исследование силового нагружения винтов приводов затворов при закрытии затвора проводилось с использованием фундаментальных законов механики деформируемого твердого тела. 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.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и разработанных методик обусловлена корректностью применения математических методов, широким использованием ЭВМ, сравнением результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными.
Практическая ценность и реализация результатов.
Разработан ряд инженерных методик и реализованы на ЭВМ алгоритмы и программы моделирования исследуемых задач. Результаты исследований внедрены в практику расчета и проектирования винтов в ОАО Центральное конструкторское бюро аппаратосроения (ЦКБА).
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2008 – 2011 г.г.); XXXIV Гагаринских чтениях (Москва: МАТИ, 2008); III магистерской научно-технической конференции (Тула: ТулГУ, 2008); VIII Всероссийской научно-технической конференции "Техника ХХI века глазами молодых ученых и специалистов" ( Тула, ТулГУ, 2009); VI Международной научно-практической конференции «Современные проблемы науки» (Тамбов: ТГТУ, 2011); XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, материалов и изделий» (Казань: КВВК, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Включает 121 страницу машинописного текста, содержит 48 рисунков, 16 таблиц, список использованных источников из 113 наименований.
