Рукава гидравлические

Федеральное агенство по образованию Волжский политехнический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета Кафедра: «химия и технология переработки эластомеров»

Курсовая работа по дисциплине:

Расчет и конструирование резиновых изделий и форм На тему

«Рукава»

Содержание Введение

1 Основные виды и конструкции рукавов

1.1 Виды и конструкции рукавов

1.2 Расчет напорных рукавов с однородными каркасами

1.3 Рукава с неоднородными каркасами

1.4 Всасывающие рукава

2 Расчет изгибоспособности рукавов

2.1 Расчет изгибоспособности всасывающих рукавов

2.2 Расчет изгибоспособности напорных рукавов

3. Виды концевой арматуры для напорных рукавов и способы ее крепления Заключение

Список используемой литературы

Введение

Среди ряда отраслей резиновой промышленности выделяется производство РТИ. В связи с широким ассортиментом изделий этому производству свойственно разнообразие применяемых материалов, технологических приемов обработки, оборудования и производственных процессов.

Резиновые технические изделия работают в условиях различных нагрузок и вызываемых ими деформаций. Для обеспечения прочности и постоянства размеров конструкций РТИ должен предшествовать их выполнению инженерный расчет. При расчетах прочности частей обычных сооружений и машин исходят в основном из того, что форма этих сооружений и деталей для машин в условиях работы остается неизменной, поскольку это обеспечивается жесткостью применяемых материалов. Иное положение наблюдается в области конструкций, создаваемых в резиновой промышленности. При общем требовании прочности и длительной работоспособности эти изделия должны обладать рядом специфических особенностей: гибкостью, эластичностью и др.

Целью данной работы является изучение конструкций рукавов и их расчет. Для достижения этой цели в работе поставлены и реализованы следующие задачи:

§ рассмотреть основные виды и конструкции рукавов;

§ привести расчет напорных рукавов с однородными каркасами;

§ изучить поведение рукава при гидравлическом испытании;

§ привести расчет рукавов по допускаемой нагрузке на элемент каркаса;

§ привести расчет изгибоспособности напорных и всасывающих рукавов;

§ рассмотреть основные виды концевой арматуры для напорных рукавов и способы ее крепления.

1. Основные виды и конструкции рукавов

1.1 Виды и конструкции рукавов Рукава, предназначенные для передачи жидких, сыпучих, вязких веществ и газов разделяются в зависимости от конструкции и условий работы на ряд групп и видов.

Резина, текстиль и металлоизделия обеспечивают прочность, устойчивость и герметичность рукавов. Резиновые слои в рукаве выполняют ряд функций. Внутренний резиновый слой — камера — обеспечивает герметичность рукава и защищает каркас, несущий нагрузку, от агрессивного воздействия передаваемых по рукаву материалов. В зависимости от размеров, особенностей конструкции, рабочего давления и рабочей среды толщина камеры составляет от 1,2 до 12,3 мм. В каркасе резина прочно соединяет отдельные детали его в одно целое, заполняет пустоты в ткани и плетеных прокладках, а также между металлическими и текстильными прослойками. Наружный резиновый слой защищает рукав от воздействия внешней среды.

Для изготовления каркасов различных видов в производстве рукавов используют: пряжу и корд, ткани из синтетических, хлопковых, льняных и асбестовых волокон, оплетки, трикотажные обвязки. Текстильные прослойки (прокладки) каркаса, несущие нагрузку, могут быть однотипными или комбинированными. В отдельных случаях они образуют наружный, поверхностный слой или внутренний.

Введение

в конструкцию каркасов текстильных материалов, менее растяжимых, нежели резина, обеспечивает прочность и стабильность размеров рукавов находящихся под гидравлической нагрузкой. Повышения гидравлической прочности рукавных конструкций достигают увеличением числа таких прокладок, что может привести к уменьшению гибкости рукавов. Применяя более прочные материалы, можно повысить прочность и одновременно сохранить гибкость рукава с текстильными прокладками малой толщины. Рукава, работающие при высоких давлениях, дополнительно усиливают либо навивкой проволочной спирали (поверх рукава или в толщине стенки каркаса), либо с помощью проволочной оплетки или же обмотки кордом.

Конструкции несущей детали рукава — каркаса, весьма разнообразны; ими, по существу, и различаются рукава. В рукавах, работающих под давлением рабочей среды (в так называемых напорных рукавах), применяют каркасы следующих конструкций:

· Прокладочные рукава — изготовляют на закаточных машинах путем намотки на дорны полос прорезиненных тканей, закроенных под углом 45°.

· Рукава с оплеточным каркасом изготовляют на оплеточных машинах. Виды оплеток в зависимости от используемого текстильного материала (пряжа, проволока) разнообразны.

· Обмоточные рукава выпускают с каркасами, образованными из спирально уложенных под определенными углами потоков либо тканевых или кордных полос, либо проволок.

· Навивочные рукава получают навивкой отдельно идущих проволок или нитей. В рукавах с каркасами обмоточной и навивочной конструкций слои обмоток или навивок укладывают попарно так, что наложенные элементы конструкции направлены в разные стороны, но расположены под одинаковыми углами к образующей цилиндрической поверхности.

· Трикотажные (или обвязочные) рукава выполняют на трикотажных (вязальных) машинах специальной конструкции.

· Тканевые рукава получают из специально изготовленных на круглоили плоскоткацких станках тканых чехлов. Кроме того, можно изготовлять цельнорезиновые напорные рукава из специальных видов резин.

В рукавах, работающих под вакуумом (всасывающие и напорно-всасывающие рукава), конструкции каркасов не столь разнообразны. В отдельных случаях применяют гибкие металлические камеры, образованные свертыванием в спираль специально профилированной ленты (так называемый металлорукав), покрывая их ткаными чехлами. Некоторые виды рукавов приведены на рис. 1 — 6.

Рис. 1 Рукав резинотканевый напорный:

1 — резиновая камера; 2 — тканевые прокладки; 3 — резиновая обкладка Рис. 2 Рукав напорный с плетеным нитяным каркасом:

1 — резиновая камера; 2, 4 — плетеные прокладки; 3 — промежуточный резиновый слой; 5 — резиновая обкладка Рис. 3 Рукав с двухслойным тканевым каркасом Рис. 4 Рукав с обмоточным каркасом:

1 — резиновая камера; 2, 3 — обмотки из металлокорда; 4 — резиновая обкладка Рис. 5 Рукав с навивочным каркасом Рис. 6 Рукав с трикотажным (вязаным) каркасом Напорные рукава с каркасами из прорезиненных тканей, с оплеточными, навивочными и обмоточными каркасами имеют общие основы для расчета их прочности и деформации.

В различных видах рукавов элементами конструкции каркасов являются полоски тканевых прокладок (в 1 см ширины по основе или утку), потоки нитей или проволоки в оплетках, либо нити в каркасах навивочных рукавов, а также плетенки, ленты и проволока. Прочность k_в, плотность т и углы наложения б таких элементов могут быть весьма различными. Когда во всех несущих слоях каркаса рассматриваемого рукава k_в, т и б постоянны, такие каркасы называют однородными. Каркасы рукавов, изготовляемых с применением различных материалов, отличающихся по виду, прочностным свойствам, по плотности и углам положения, называют неоднородными.

1.2 Расчет напорных рукавов с однородными каркасами Примем следующие обозначения:

d ® — диаметр (радиус) рукавов, см;

бугол положения элементов по отношению к образующей, градусы;

д_к — толщина заготовки резиновой камеры, см;

д_и — толщина прокладки в каркасе рукава, см;

д_р — толщина резиновой прослойки рукава, см;

К — нагрузка на элемент конструкции каркаса, Н;

т — плотность элементов конструкции каркаса, см" ¹;

l — длина витка элемента конструкции, см;

t — шаг элемента конструкции, см;

b — ширина потока, отвечающая углу положения, а см;

р — гидравлическое давление, Па;

i — число прокладок в каркасе;

k_В и k'_В — средняя прочность пряжи (нити) или проволоки в каркасе и пряжи в суровье, Н;

К_В и К'_В — средняя прочность потока в каркасе и в суровье, Н;

d_пр — диаметр пряжи нити или проволоки, мм;

е и е' -относительное удлинение материала в каркасе и суровье;

N — число шпуль (потоков) в машине;

п — число нитей в шпуле;

п_i — число нитей на длине шага.

Индексы при d и r означают: 1 — внутренний диаметр резиновой камеры; 2 — внутренний (расчетный) диаметр каркаса; 3 — наружный диаметр каркаса; 4 -наружный диаметр рукава. Индексы: н — начальное состояние в нормальной конструкции (отсутствие давления); в — состояние в момент разрыва; рсостояние, отвечающее «равновесному» значению угла а.

Внутренний диаметр каркаса вычисляют по формуле:

d_2н = d_1н + 2(д_к — qд_n)

где qд_n — глубина погружения первого слоя прокладки в толщу заготовки камер; q~ 0,5.

Геометрия каркаса рукава Поведение рукава при гидравлическом испытании. Практика гидравлического испытания напорных рукавов с небольшим числом тканевых прокладок, закроенных под углом 45°, показывает, что вследствие свободного изменения диаметра и длины рукава с повышением давления вначале несколько увеличивается наружный диаметр и уменьшается длина рукава, а в конце испытания увеличиваются оба эти параметра. При испытании рукавов с оплеткой наблюдается либо описанное, либо обратное явление: увеличение длины и уменьшение диаметра рукава, зависящее от угла положения нитей оплетки по отношению к образующей. У рукавов с оплеткой, положенной под углом менее 54−55°, при повышении давления диаметр и угол оплетки возрастают, а длина снижается. Рукава с оплеткой, положенной под углом больше 55°, увеличиваются по длине и уменьшаются по диаметру; угол оплетки также уменьшается. Рукава с оплеткой, положенной под углом 54−55°, вначале мало изменяются по диаметру или по длине. В рукавах с тканевыми прокладками (или в рукавах с тканым каркасом), помещенными так, что по окружности рукава располагаются нити утка, а по длине нити основы (или наоборот), практически не изменяется угол расположения нитей; длина и диаметр рукава увеличиваются одновременно.

Указанное изменение размеров рукава в условиях гидростатического его нагружения — следствие двух одновременно проявляющихся причин: смещения нитей под влиянием сил, развивающихся в стенке рукава при повышении в нем давления, и растяжения нитей из-за возрастающего их нагружения. Смещение нитей теоретически продолжается до тех пор, пока их направление не совпадет с направлением внутренних сил в каркасе. Практически же смещение нитей (становление) зависит от сдвиговой жесткости каркаса, которая обусловлена: видом и плотностью элементов текстильной конструкции, величиной конструкционных (начальных) углов, числом несущих нагрузку слоев каркаса и типом резины, заполняющей клетки между нитями и составляющей резиновые прослойки. Если модуль упругости материала, образующего каркас, мал, увеличение диаметра, вследствие растяжения нитей рукава, становится значительным даже в рукавах с элементами, уложенными под углом более 55°.

Рис. 7 Развертка витка оплетки па плоскость, касательную к оплетаемой поверхности Рис. 8 Зависимость К от Т_т, Т₍₎ и б Геометрическая интерпретация положения элемента каркаса рукава. Структура каркаса рукава определяет его прочность и возможные изменения геометрических параметров. Применяя метод развертки на плоскость внутренней поверхности каркаса рукава (рис. 7), можно исследовать геометрию каркаса рукава. Зависимость геометрических параметров, определяемая соотношением tgб=рd/t, дает

t = рd/tga, (1)

l = рd/sina, (2)

S_l = l²*sina*cosa, (3)

V_l = (l³/4р) * sin a *cos a. (4)

Два последних уравнения позволяют дать геометрическую интерпретацию элемента конструкции каркаса при постоянной длине этого элемента l и переменном значении угла а. Допустив, что нити каркаса абсолютно жестки, исследуем зависимость изменения внутренней поверхности S_l и объема V_l каркаса рукава от изменения величины а. Дифференцируя уравнение (3), получаем Экстремальное значение, а определяется уравнением cos a = ± sin а, т. е. tga = ±1, откуда критическое значение, а = ±45°.

Согласно рис. 8 необходимо принять положительное значение критического угла. При найденном его значении вторая производная отрицательна Следовательно, при закрое ткани под углом 45° площадь внутренней поверхности каркаса рукава S_l, имеет максимальное значение. При увеличении диаметра такого рукава, происходящем при гидравлическом испытании, ткань каркаса размещается по меньшей поверхности. Это обстоятельство, наряду со сдвиговой жесткостью каркаса, затрудняет перемещение элементов конструкции рукава с тканевыми прокладками, чем и объясняется обычно наблюдаемое отставание увеличения диаметра рукава с тканевыми прокладками при разрыве против ожидаемого по расчету.

Дифференцируя уравнение (4), получаем:

Критическое значение угла определяется уравнением:

2cos² a — sin² a =0

т.е. tg²a = 2, откуда, а = 54°44'

При найденном критическом значении угла величина: отрицательна, и тогда V_l имеет максимальное значение.

Изложенные рассуждения применимы лишь для идеального каркаса, образованного двумя слоями навивки или обмоткой нитями малой толщины, к смещению которых, из-за наличия резиновой прослойки, не встречается внешних препятствий. Эти суждения не могут быть распространены на случай, когда, а равно 0 и 90°.

Расчет рукавов по допускаемой нагрузке на элемент каркаса Исходные положения. При расчете напорного рукава определяют число прокладок рукава с установлением типа ткани, пряжи или проволоки, наиболее пригодных для каркаса. Для расчета задают исходные геометрические параметры рукава, конструктивные особенности каркаса и прочностные характеристики материала. Предполагается, что разрыв рукава происходит, если деформация наиболее напряженной его части — первого несущего слоя — достигает удлинения, равного удлинению материала при разрыве.

В напорных рукавах первый слой — внутренняя резиновая камера рукава, прочно соединенная с каркасом, — воспринимает радиально направленное гидростатическое давление р_l приложенное по поверхности радиуса rl. Наружная поверхность камеры радиуса r₂ воспринимает давление р₂, возникающее при воздействии каркаса. Резиновая камера образована материалом с коэффициентом Пуассона близким к 0,5.

Второй слой — каркас — по внутренней своей поверхности радиуса r₂ испытывает радиальное давление Р₂, а по наружной поверхности с r₃ — давление р₃. Последнее можно принять равным нулю, исключая тем самым из расчета наличие и влияние третьего слоя — наружной резиновой обкладки.

В отличие от первого резинового слоя, второй слой — каркас, состоящий из ряда концентрически или спирально расположенных прокладок, элементы которых имеют некоторую возможность сдвига, обладает специфическими свойствами. Резинотекстильный каркас, составленный из материалов, модули упругости которых различаются примерно на 1−3 порядка, и позволяет рассматривать его как особую слойно-структурную конструкцию, представляющую собой анизотропный материал. Не обращаясь к специальному исследованию такого материала, рассмотрим каркас напорного рукава как конструктивную совокупность концентрически расположенных текстильно-арматурных слоев, соединенных резиновой массой. При этом учтем, что исходные свойства текстиля видоизменяются в технологических процессах резинового производства (прорезинивание ткани, трощение нитей, обращение их в оплетки, склеивание, вулканизация и пр.). Сделав это допущение, исследуем и оценим все факторы, так или иначе сказывающиеся на прочностных свойствах однородного каркаса.

Для упрощения расчетов примем:

· силы, возникающие в стенке рукава, воспринимаются в основном каркасом, как наиболее жесткой частью рукава;

· каркас — тонкостенный цилиндр, закрытый с торцов;

· наружная резиновая обкладка в расчет не принимается.

Влияние внутренней резиновой камеры рукава на передачу гидростатического давления. При передаче гидростатического давления внутреннюю резиновую камеру рукава рассматривают как цилиндрическую толстостенную трубу, прочно привулканизованную к текстильному каркасу и находящуюся в условиях трехмерного напряженного состояния. Поскольку деформации внутренней резиновой камеры, ограниченные каркасом рукава, незначительны, к резине применимы закон Гука и уравнения Ляме, относящиеся к расчету напряжений в толстостенных трубах (открытых с концов).

Допустив, что конструкция каркаса не позволяет резиновой камере изменять ее размеры в осевом и окружном направлениях, можно найти При м' = 0,5, F₍₎ = 1 при любом соотношении радиусов рукава. При малой толщине резиновой камеры, когда r₂ = r_l коэффициент F_o тоже близок к единице независимо от значения м'.

При м' < 0,5 наличие резиновой камеры ведет к некоторому уменьшению нагрузки на каркас, которое тем больше, чем меньше м' и чем больше толщина резиновой камеры. Однако даже для рукава с внутренним диаметром 5 мм, толщиной камеры 2,5 мм и м'= 0,495 коэффициент F₀ составит 0,97.

Определение равновесного направления элементов каркаса. Считают, что каркас, несущий нагрузку внутреннего давления, изготовлен из прокладок, нитей или иных элементов, которые независимо от вида переплетения образуют две системы плотностью т, расположенные под одинаковыми, но разнонаправленными углами к образующей рукава (см. рис. 8). Допустим, что они нерастяжимы до момента разрыва, но учтем, как показывает эксперимент, что они могут смещаться с изменением угла взаимного положения.

Допустим также, что камера рукава — упругая среда, передающая гидростатическое давление, которое и действует на каркас (F_o = 1).

Возможность смещения элементов приводит к изменению угла а. Поскольку нагрузки Т_т и Т_о (на линейную единицу) в слоях каркаса и слагающаяся из них нагрузка К элемента конструкции, зависят от значения углов б, то третьим расчетным уравнением и будет зависимость Т_т/Т₀ от а. Часть длины, занятой каждым элементом (поток нитей, нить, плетенка, лента), в направлении образующей составит 1/m: sin б, а в направлении окружности сечения каркаса 1/т: cos б. При наличии двух систем элементов на 1 см длины в направлении образующей приходится 2m*sin б, а в направлении окружности ;

2m*cosб элементов. Если К — нагрузка, приходящаяся на один элемент, то составляющая этой нагрузки в направлении образующей (ось х) будет K· cos б, a в направлении окружности (ось y) — K· sin б.

Т_m =2K· m·sin² б (6)

Нагрузка одного слоя каркаса Т₀, приходящаяся на 1 см длины окружности профиля каркаса, будет

T₀=2K· m·cos² б (6a)

Поделив уравнение (6) на (6а), получим

T_m/T₀ = tg² б (7)

Лишь при одном определенном направлении нитей T_m/T₀ = 2, и тогда

tg² б = 2 (8)

Нагрузка Т_m одного слоя каркаса, приходящаяся на 1 см длины образующей, составит: T_m = 2 T₀

Следовательно, tg б = 1,4141 и угол «равновесного» состояния б_р = 54°44'. Выше было показано, что этот угол соответствует максимальному объему цилиндра при постоянной длине спирального витка элемента каркаса.

Расчет нагрузки на элемент каркаса и общее уравнение расчета напорных рукавов. Если при определении К перейти от T_m и T₀ к p_l и d₂, получим (при м' = 0,5)

K = P_l d₂ /F_l m (9)

Приняв К = k_B, находим для реального однородного каркаса давление разрыва р_в

где F_l — коэффициент (при а_в = а_р F_l = 4 sin² a = 8 cos²a = 2,667, значение р_в рассчитывают из меньшего значения F_l): [С] - произведение ряда поправок, отражающих влияние конструкции, способов производства и испытания рукавов.

Поправочные множители расчетного уравнения. При расчете рукавных многослойных каркасов для корректировки и учета изменения прочностных и деформационных свойств материала каркаса (при переходе от суровья до состояния в рукаве), в уравнения для расчета тонкостенной оболочки вводят ряд поправок. Необходимо, чтобы эти поправки имели геометрический или физический смысл и могли быть установлены прямым экспериментом независимо друг от друга. В расчетные уравнения такие поправки могут входить в различных сочетаниях или отсутствовать в зависимости от видов конструкций каркасов, особенностей технологического процесса изготовления рукавов и упрощающих допущений.

Применительно к резинотекстильным каркасам поправки можно разделить на две группы.

1. Поправки С_l и С₃ учитывают изменение размеров — от начальных (конструкционных) до тех, которые получает рукав перед разрывом, и к связанному с этим изменению плотности m.

Поправка С_l отражает изменение диаметра вследствие смещения элементов конструкции каркаса при становлении угла а_н до угла а_в:

С_l = sin a_в /sin a_n

Поправка С_lt в тех же условиях характеризует изменение шага витка элемента каркаса:

С_lt = cos a_в /cos a_n

1 sin or, -cos or,

Отсюда значение определяет изменение т_н элементов каркаса, переходящей в т_в по мере становления каркаса. При заданных а_н и полном становлении а_в до а_р значения С_l имеют численные выражения и включаются в коэффициентF_l.

Поправка С₃ связана с относительной длиной материала каркаса при одноосном растяжении. Если е'_в— одноосное относительное удлинение материала суровья каркаса, а е_Z — уменьшение этого удлинения вследствие технологических обработок в резиновом производстве, то

2. Поправки С₂ и С₄ (с четными индексами) отражают изменение средней прочности материала каркаса (от суровья до готового изделия), зависящее от конструкции каркаса и технологических факторов.

Поправку С₂, учитывающую влияние толщины цилиндрической стенки каркаса и снижение ее прочности из-за неоднородности составляющих ее текстильных слоев, можно рассматривать как произведение двух сомножителей — С'₂и С" ₂.

Для нахождения С₂ сделаем следующие допущения:

· всю нагрузку воспринимают лишь текстильные, соосно рас-положенные и конструктивно однородные слои каркаса;

· слои эти прочно соединены резиновыми прослойками;

· сдвиговые смещения текстильных элементов каркаса завершаются становлением их на равновесный угол а_р.

Допустим также, что в такой конструкции происходит послойное снижение нагрузок, отвечающее зависимости Ляме для изотропных толстостенных открытых с обоих концов труб, нагруженных радиальным внутренним давлением р. Определив отсюда отношение тангенциальных напряжений последнего и первого слоев каркаса и принимая послойное снижение приближенно линейным, можем найти С₂ по зависимости:

С₂ = 0,5 [l + 2d²₂ /(d²₂ + d²₃)]? l + iД /(l + 2Д),

где Д = д_n / d_2H

Одновременно следует учесть, что даже в однородном резино-текстильном каркасе, как в любой системе с не строго одинаковыми механическими свойствами, могут обнаружиться слабые участки, приводящие к изменению названного распределения нагрузок и к снижению средней прочности слоев. Отсюда возможна поправка С" ₂? 1 -A_l(i — 1).

Поправка С₄ отражает влияние [2, с. 140]:

· неодновременности разрыва параллельно лежащих нитей (в pависимости от их числа и качества трощения);

· вида переплетения;

· технологических процессов резинового производства (вытяжка, склеивание, вулканизация).

Этот комплекс влияний можно учесть произведением С_4, С" ₄ и С'''_4.

Поправка С₄, например, при расчете оплеточных каркасов приближенно соответствует зависимости:

С'₄? 1- А₂(п — 1) р где р — число потоков в раппорте плетения. Для обычных двухпрядных плетений р = 2.

Поправка С" ₄ как результат влияния переплетений обычно несколько выше единицы. Однако для очень плотных конструкций, изготовленных из низких номеров пряжи с высокой круткой, когда растяжение при разрыве сопровождается значительным изгибом и сдавливанием нитей, С_l может быть и меньше единицы. В комплектах, состоящих из попарно разнонаправленных навивок и обмоток, также может обнаружиться упрочняющий эффект, хотя переплетения как такового нет.

Поправка С" ₄ для оплеточных и резинотканевых каркасов практически несколько выше единицы; для каркасов из уплотненного текстиля, например обмоток из корда, несколько ниже.

1.3 Рукава с неоднородными каркасами Возможность повышения гидравлической прочности напорных рукавов с однородными силовыми элементами в каркасе весьма ограничена. Увеличение сверх обычного числа тканевых прокладок или оплеток нецелесообразно и уменьшает изгибоспособность рукавов. Поэтому многослойные рукава иногда изготовляют с неоднородными каркасами различной конструкции, а также применяют пластмассы взамен резиновых элементов.

Существенные преимущества таких рукавов

· повышенная гидравлическая прочность и изгибоспособность при одинаковом расходе материалов, особенно при укреплении каркасов рукавов спиральными элементами;

· способность выдерживать совместное действие нескольких видов нагрузок;

· меньшая при одинаковой прочности стоимость рукава.

Различия в структуре каркасов и прочности составляющих их элементов усложняют расчеты. Особенно это сказывается в конструкциях, где жесткие элементы, например металлические спирали, расположены среди более растяжимых тканевых прокладок. В ранних приближенных расчетах таких рукавов сопротивление их разрыву гидравлическим нагружением принимали равным прочности отдельных конструктивных его деталей.

Рукава с неоднородными силовыми элементами в каркасе относят по их назначению к группам: напорные, всасывающие и напорно-всасывающие. По различиям в конструкциях каркасов выделяют следующие виды рукавов.

Рукава, каркасы которых укреплены спиральными элементами. Однородные слои каркаса в таком рукаве расположены на резиновой камере и укреплены снаружи спиралями (рис. 9).

Рис. 9 Напорный рукав, усиленный металлической спиралью Рукава с каркасами комбинированных конструкций. В них несущие слои, расположенные на резиновой камере, выполнены из одинаковых или разных по прочности и удлинению материалов, под одинаковыми или разными углами наложения силовых элементов в слоях. Пока такие конструкции представлены немногими видами (рис. 10).

Рис. 10 Напорный рукав комбинированной конструкции:

1 — резиновая камера; 2 — первый слой нитяной оплетки; 3 — металлическая спираль; 4 — резина, промежуточный слой; 5 — кордшнур; 6 — второй слой нитяной оплетки; 7 — резиновая обкладка Рукава с жесткой камерой. В них камера — трубка представляет собой несущий элемент и дополнительно укрепляется оплетками из нитей или проволоки. Такие рукава применяются для передачи весьма агрессивных сред в широком интервале температур (от -81 до 300°С).

Разработки новых видов каркасов рукавов и иных рукавных конструкций продолжаются.

1.4 Всасывающие рукава Всасывающие рукава работают под вакуумом, поэтому в них отсутствует многослойный тканевый каркас. Однако в тонкостенном рукаве круглое поперечное сечение при наличии местной нагрузки может легко измениться, что приведет к дальнейшему снижению его устойчивости при вакууме. Чтобы избежать этого, в стенки всасывающих рукавов вводят проволочную спираль, придающую каркасу необходимую жесткость и устойчивость как к местной, так и к равномерно распределенной внешней нагрузке. Немногочисленные тканевые слои таких рукавов оказывают ограниченное сопротивление их внутреннему гидравлическому давлению. Увеличение числа тканевых слоев при соответствующем подборе ткани упрочняет рукава и позволяет применять их как напорно-всасывающие.

В зависимости от назначения и условий работы резинотканевые рукава с металлическими спиралями разделяют на две группы: всасывающие, работающие под разрежением, и напорно-всасывающие, работающие под давлением или под разрежением.

Всасывающие и напорно-всасывающие рукава изготовляют с внутренним диаметром от 16 до 325 мм. Рукава обеих групп должны выдерживать разрежение не менее 79,8 кПа без деформаций и расслаивания. Испытательное давление для всасывающих рукавов с внутренним диаметром до 75 мм составляет 0,3 МПа, а свыше 75 мм — 0,2 МПа. Рабочее давление для напорно-всасывающих рукавов от 0,35 до 1 МПа.

Для напорно-всасывающих рукавов с диаметром до 75 мм испытательное давление отвечает двойному рабочему, а для рукавов с диаметром свыше 75 мм — полуторному рабочему. Запас прочности в напорно-всасывающих рукавах — не менее трехкратного, а в рукавах, предназначенных для газов (например, воздух, кислород), — не менее пятикратного.

Конструкционные элементы во всех типах этих рукавов следующие: внутренняя резиновая камера, одна или несколько тканевых прокладок, одна проволочная спираль, промежуточный резиновый слой, одна или несколько тканевых прокладок. На рукавах для разбавленных растворов неорганических кислот и щелочей, кроме того, имеется наружная резиновая обкладка. Наличие не менее одной тканевой прокладки под проволочной, спиралью устраняет возможность повреждения камеры при последующих операциях сборки. Слои в напорно-всасывающих рукавах для перекачки бензина, топлива Т-1, дизельного топлива и масел под вакуумом и под давлением располагаются следующим образом: внутренняя спираль (стальная оцинкованная проволока), тканевая прокладка, резиновый слой, тканевые прокладки, резиновый слой, наружная прорезиненная тканевая прокладка и наружная спираль из оцинкованной проволоки. Такие рукава должны выдерживать: рабочее давление 0,5 МПа; испытательное гидравлическое давление 1 МПа; разрывное давление не менее 1,5 МПа.

Рукава для бензина показаны на рис. 11.

Рис. 11 Схема рукава для бензина:

1,5 — металлические спирали: 2, 4, 7 — тканевые прокладки; 3, 6 — резиновые слои; 8 — тканевая обкладка Для изготовления всасывающих рукавов применяют ткани Р-2, Р-3, Р-4. Для некоторых типов рукавов синтетическое волокно (например, из поливинилхлорида) большого сечения постепенно заменяет проволоку. На резиновую камеру наматывают сплошную спираль из твердого поливинилхлорида круглого сечения диаметром около 0,5 см, затем наружный слой резины с высоким сопротивлением истиранию. Такие рукава имеют повышенную прочность, применение их рекомендуется во взрывоопасных условиях.

К рукавным изделиям можно отнести трубки гофрированные для противогазов и иные подобные им изделия. Сопротивление смятию и повышенная гибкость в них создаются резинотекстильными гофрами, а иногда и усиливающими их металлическими кольцами.

Для обеспечения необходимой радиальной жесткости и устойчивости под местной нагрузкой, а также под действием внешнего гидростатического давления всасывающие рукава снабжают проволочной спиралью с углами наложения (угол подъема винтовой линии к направлению диаметра в сечении рукава) спирали до 10° или другими видами армирования. Такая спираль с модулем продольной упругости материала на четыре порядка больше, чем модуль упругости резины является основным, несущим нагрузку, элементом конструкции. Она воспринимает сопротивление смятию рукава. Резина, а также текстильные (тканевые, оплеточные, навивочные) слои, положенные под углом 45−55°, в основном служат связующими элементами.

изгибоспособность напорный всасывающий рукав каркас

2. Расчет изгибоспособности рукавов Рукава обладают значительной изгибоспособностью, выгодно отличающей их от металлических, бетонных или стеклянных труб; только высокие или низкие температуры или агрессивные рабочие среды, исключающие применение рукавов, вынуждают конструкторов вводить в жесткие системы различные компенсаторы и сильфоны. В ГОСТах на рукава рекомендован минимальный радиус допустимого изгиба, обычно оцениваемый эмпирически, так как лишь в немногих расчетах гидравлической прочности рукавов учитывается и влияние изгиба.

Изгибоустойчивость рукавов, как и труб, в основном зависит от правильности и устойчивости круговой формы их поперечного сечения. Лучше всего сохраняют правильность кругового сечения всасывающие рукава, в стенках которых заложена металлическая спираль; они оказываются и более изгибоустойчивыми.

Примем следующие обозначения:

р — радиус кривизны нейтральной поверхности изогнутого рукава, см;

r — радиус сечения рукава, см;

r_с — радиус спирали в рукаве, см;

д — толщина стенки рукава, см;

t — шаг навивки спирали, см;

Е_р — модуль стенки рукава, Па;

ц — широтный угол, определяющий положение точки на периферии сечения рукава;

м — коэффициент Пуассона стенки рукава;

б — центральный угол в продольном сечении рукава, отвечающий отрезку начальной длины dl;

е — поперечная деформация сечения рукава;

Е_к — модуль материала спирали, Па.

2.1 Расчет изгибоспособности всасывающих рукавов В основе расчета изгибоспособности всасывающих рукавов, т. е. в установлении минимально допустимого радиуса изгиба r, лежит определение деформации спирали под воздействием нагрузок, возникающих в стенке рукава при изгибе, и последующее расчетное ограничение этой деформации упругой областью.

Для определения таких нагрузок примем следующие допущения

· силы, возникающие в стенке всасывающего рукава при изгибе, воспринимаются металлической спиралью (или же кольцами жесткости);

· при сжатии рукава не происходит потери устойчивости;

· геометрические параметры рукава и механические свойства материалов, составляющих стенку рукава, постоянны по длине рукава.

Определение нагрузки R_у, деформирующей спираль. Рассмотрим силы, действующие на слой рукава, находящийся на расстоянии у от нейтральной оси. Относительная деформация е_с такого слоя определяется отношением у/р. Тогда напряжение в стенке рукава составит:

у = Е_р y / р (11)

Усилие Р_у, действующее на высоте у и приходящееся на единицу длины периметра сечения, составит Выделим из рукава отрезок начальной длины dl, которому соответствует центральный угол dб. Для рассматриваемого слоя равнодействующая от Р_у, направленная к нейтральной оси равна

dR_z = 2Р_у sin (dб/2).

Так как dб = dl / р, то с учетом малости угла dб можно записать:

Интегрируя это выражение по l от 0 до t, получим:

Поскольку y = r_с sinц, окончательно найдем:

В соответствии с принятыми допущениями нагрузка Р_у воспринимается спиралью и деформирует ее.

Определение деформации (искажения) спирали.

Примем начало координат в центре сечения спирали (точка, А на рис. 12) и направим координатные оси: х — по нормали; у — по касательной; r — по бинормали к винтовой линии.

Рис. 12 Схема действия сил в сечении изогнутого рукава Обозначим через в угол наклона витка спирали к вертикали. На рис. 12 показан полувиток спирали с действующими на него силами.

Неизвестные Y₀, Z₀, М_Уа, М_Zа можно найти, исходя из уравнений статики и начала наименьшей работы. После соответствующих вычислений получим Для любого сечения, заданного углом в, имеем:

где

Относительную деформацию витка спирали в направлении вертикального (е_е) и горизонтального (е_г) диаметров находим с помощью фиктивных сил, прикладываемых соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях. После преобразования получим:

где — абсолютные деформации горизонтального и вертикального диаметров; [К_в] и [К_г] - коэффициенты, учитывающие угол наклона витков спирали.

Из зависимости (18) получаем При в = 0 коэффициент [К_г] = [К_в] = 0,084; е_в = е_r =е_в=0 и зависимость (19) имеет вид:

то получим:

Зависимость угла наклона витка в от о_в приведена ниже в 0° 2°30' 5° 10°

о_в 1,0 1,07 1,14 1,38

где Z — текущая координата, в пределе равная d_np/2.

Ограничение деформации е сечения рукава упругой областью деформации спирали е_н. Примем, что вследствие изгиба первоначальное круглое сечение спирали радиусом r_с обратилось в эллиптическое с радиусом кривизны R_{э г} на горизонтальном диаметре. Деформация материала спирали, соответствующая пределу пропорциональности, составит:

Обозначив большую и малую оси эллипса соответственно через d_г=2r_c(1 +е_г) и d_e = 2r_c(1 — е_а), и приняв е_г? е_e = е, придем к искомой предельной деформации сечения рукава По уравнению (23) составлена графическая зависимость е от е_к (рис. 13), для которой использованы принятые в производстве всасывающих рукавов d_np= 1,6 — 6,0 мм и r_с = 10,5 — 166 мм, а также практически возможные отношения d_np/r_c = 0,0344−0,153.

При е _к в пределах (5,5 — 21)* 10 ^-4 значения е лежат в пределах 0,02−0,06. Следует заметить, что с применением спирали из материала с высоким относительным удлинением е_к соответственно растет и е.

Рис. 13 Зависимость е от е_к [по уравнению (23)] при различных значениях d_np/r_c (указаны на кривых)

Влияние принятых в производстве допустимых отклонений геометрических параметров рукавов и механических свойств материалов на изгибоспособность рукава. Поправочное отношение К_п = р_эфф/р_{ном.расч} можно определить из комплекса соответствующих частных поправок, приводящее к величине К_l = 1,44. При округлении, а также с учетом возможного влияния низких температур на свойства стенки рукава, можно допустить, что К_п = 1,84 -3,0.

Рассмотрим параметры, входящие в уравнение (21). Величины r, д, t и d_np заданы как исходные конструктивные; о и е были рассмотрены выше. Значение Е_р резинотекстильного каркаса (со спиралью и без таковой) при использовании ткани Р-3 и обычных рукавных резин составляет 20−22 МПа. Для каркасов из других текстильных материалов ее следует принимать по зависимостям д-е. Значение Е_к для стальной проволоки принимается в пределах (1,8 — 2,1)* 10¹¹ Па; для других материалов — из справочников или подлежит определению. Значение е_к проволоки регламентируется соответствующими ГОСТами и ТУ. При использовании для спирали проволоки допустимая поперечная деформация сечения не должна превышать (2 — 4)* 10^-2, в случае более упругой проволоки можно допустить сплющивание до (8 — 10)*10^-2.

2.2 Расчет изгибоспособности напорных рукавов У рукавов с металлической оплеткой в зоне значительных изгибов наступает разрушение оплетки, сопровождаемое разрывом стенки рукава, хотя существенного изменения формы сечения при этом не наблюдается. Лабораторными исследованиями установлено, что чем меньше радиус изгиба рукава r, тем меньше и гидравлическое давление р, разрушающее рукав. Поэтому разрушение объясняется дополнительным нагружением оплетки, изгибом рукава и уменьшением прочности изогнутого рукава по сравнению с прямым.

Расчет относительного снижения прочности изогнутого рукава. Известно, что нагрузка К_пот на поток проволок и равновесный угол, а определяются формулами где Т_m — окружное усилие в стенке рукава; L — длина рукава, на которой размещено полное число проволок; N — число потоков проволоки; Т_о — осевое усилие в стенке рукава.

Для изогнутого рукава имеем:

L_uз = L_np(1 + е) = L_np(1 + r / p) (25)

где L_из и L_np — длины изогнутого и прямого рукавов, на которых размещено полное число потоков проволок.

Уравнения (24) и (25) позволяют записать где К_изпот и К_прпот — усилия в потоке проволоки изогнутого и прямого рукавов; а_из и а_пр — углы наклона потока проволок в изогнутом и прямом рукавах.

Рассматривая изогнутый рукав, находящийся под гидравлическим давлением, как торообразную оболочку, можно найти окружное Т_тиз и осевое Т_о.из усилия в рукаве, что при подстановке в уравнение (26) дает Обозначим относительное снижение прочности при изгибе ц через р_из / р_пр=_{Кпр.пот}/К_{из. пот} и тогда где р_из и р_пр — прочность изогнутого и прямого рукава.

Пути повышения прочности изогнутых напорных рукавов. Учитывая, что запас прочности z рукава есть отношение фактического разрушающего давления к рабочему, получим: z_ф = цz_к (где z_ф — фактический запас прочности; z_к — запас прочности, принятый при разработке конструкции прямого рукава).

При обычных частотах пульсации до 0,6 Гц и диаметрах рукавов до 16 мм с металлической оплеткой из проволоки c пределом прочности (2−2,4)* 10⁷Па выносливость рукавов приближенно может быть оценена как т = z_ф^{8, 85} (29)

Поэтому для повышения выносливости напорных рукавов при изгибе следует стремиться к увеличению z_к, что может быть достигнуто не только за счет применения надлежащего числа оплеток в каркасе рукава и увеличения диаметра проволоки оплеток, но и в результате уменьшения числа переплетений в оплетке:

где у — предел прочности проволоки оплетки; d_мo — расчетный диаметр рукава по металлооплетке; N' - число переплетений на длине шага наложения оплетки (0,5N).

Следовательно, рукав максимальной прочности может быть получен с N'= 0, т. е. на обмоточной машине (рис. 14).

Рис. 14 Гидравлическая прочность рукава с проволочной оплеткой при различном числе шпуль N (цифры у кривых) в оплеточной машине

В качестве иллюстрации ниже приведены различные значения р_в для рукавов с оплеткой и обмоткой при одинаковых размерах и конструктивных параметрах.

При этом два слоя обмотки по расходу материала близки к одному слою оплетки.

Повышение выносливости рукавов с металлонавивкой в 3 — 4 раза против выносливости рукавов с металлооплеткой отмечено в литературе.

Отсутствие переплетения устраняет начальные напряжения от изгиба элементов материала каркаса, значительно возрастающие при малых р и большой жесткости проволоки. Поэтому изготовление напорных рукавов с навивочным каркасом при более рациональном использовании материала и структуры каркаса приводит к увеличению прочности конструкции.

Если же рукав при эксплуатации подвергается многократно меняющемуся изгибу с отклонениями продольной оси на а₀, то минимальный расчетный радиус р следует увеличить.

3. Виды концевой арматуры для напорных рукавов и способы ее крепления Эксплуатация рукавов высокого давления возможна лишь при условии, что концы рукавов армированы специальными наконечниками, соединяющими рукава с аппаратами или трубопроводами.

В одних условиях эксплуатации необходимо многократное использование одного и того же наконечника, в других — преобладающим является требование минимального веса. Единой конструкции наконечника для рукавов различного назначения не существует.

Известно большое число вариантов наконечников, которые классифицируются:

по условиям использования — одноразовое или многоразовое применение;

по видам крепления наконечника — использование элементов силового каркаса или обжатие стенки рукава;

по условиям обеспечения герметичности — применение сжатия резины (самоуплотнение) или клеевое крепление.

Наконечник одноразового применения закрепляют на рукаве пластическим деформированием муфты до заданного профиля на специальном прессе (рис. 15).

Рис. 15 Наконечники одноразового (а) и многоразового (б) применении: 1 — ниппель; 2 — муфта; 3 — рукав [8]

После такой операции повторное использование наконечника невозможно. Детали наконечника многоразового применения массивны. Наконечник закрепляют на рукаве, ввертывая ниппели в муфту и защемляя стенки рукава в зазоре между этими деталями. Демонтируют наконечник путем вывертывания ниппеля из муфты; таким образом возможен ремонт изделия.

За силовой каркас крепят обычно металлооплеточные рукава. Для этого резиновые слои концов рукава срезают до металлической оплетки. Затем оплетку охватывают специальными замками или же навертывают на металлическое кольцо, дополнительно монтируемое на рукав. Иногда в наконечниках многократного применения на внутренней поверхности муфты делают специальную зубчатую насечку, врезающуюся при монтаже наконечника в металлическую оплетку.

Путем сжатия стенки в основном крепят рукава с каркасом из хлопчатобумажных или синтетических нитей, так как захват нитей в замки может привести к их разрушению. Такое крепление обеспечивается повышенным трением, удерживающим наконечник в рукаве. Поскольку, однако, процессы, происходящие с течением времени в резине, ведут к уменьшению силы трения, такой способ крепления недостаточно надежен.

Особенно серьезную задачу представляет обеспечение герметичности арматуры. Внутренний резиновый слой герметизируют в результате защемления камеры с оплеткой в зазоре между ниппелем и муфтой. Деформация камеры в зазоре характеризуется относительным сжатием ее резины (30−50%). Обеспечение герметичности самоуплотнением широко не распространено, но оно особенно целесообразно в условиях резких колебаний температуры. Герметизацию путем клеевого крепления камеры к деталям наконечника применяют в особо ответственных соединениях, чаще для уплотнения при транспортировке газов и воздуха высокого давления при отрицательных температурах. Этот способ также применим как дополнение к герметизации сжатием камеры.

Заключение

Рукава различных видов (рукава всасывающие, напорные рукава и т. д.) служат для передачи жидких, сыпучих, вязких веществ и газов. Передача этих материалов по рукавам осуществляется или под давлением, оказываемым на материал, или под действием вакуума, создаваемого в соединенном с рукавом аппарате. От металлических, деревянных, керамических, асбоцементных и иных труб рукава отличаются значительной гибкостью. Эта особенность рукавов является ценным их преимуществом, поскольку по условиям работы они подвергаются изгибу.

В зависимости от конструкции и условий работы рукава делятся на ряд групп и видов. Рукава, назначаемые для работы под давлением, носят общее групповое название напорные рукава. Рукава, работающие под вакуумом, называются рукава всасывающие. Некоторые виды рукавов (напорно-всасывающие, тендерные, нефтяные, металлорезиновые) могут применяться как напорные и как всасывающие, что обеспечивается особенностями их конструкции.

Для изготовления рукавов применяют резины, текстиль и металлическую арматуру. Эти материалы обладают различными механическими свойствами. Отсюда, при разработке конструкций и выполнения расчетов рукавов, исходя из общих закономерностей зависимости между размерами конструкций, приложенными нагрузками и вызываемыми ими деформациями, необходимо знать и учитывать специфические свойства резины и армирующих материалов и их конструктивных комплексов.

Список используемой литературы

1. Анурьев В. И. Справочник конструктора — машиностроителя. В 3 т. 8-е изд., перераб. и доп., под ред. Жестковой И. Н. — М., «Машиностроение», 2001. — 920с.

2. Лепетов В. А. Расчеты и конструирование резиновых технических изделий и форм. Л., «Химия», 1972. — 312с.

3. Лепетов В. А. Резиновые технические изделия. Изд. 3-е, испр. Л., «Химия», 1976. — 440 с.

4. Малкина Х. Э. «Общие основы технологии резинового производства». М., «Государственное научно — техническое издательство химической литературы», 1960.