Введение к работе
Актуальность работы. Затворами трубопроводов оснащаются многие установки и агрегаты в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в металлургии и энергетике, в авиастроении и судостроении, в жилищном и промышленном строительстве. Одной из основной причин отказов или неэффективности затворов является потеря продольной устойчивости шпинделем под действием больших сжимающих усилий при закрытии затвора.
Работы по моделированию потери продольной устойчивости сжатых стержней велись и ведутся Тимошенко СП., Вольмиром А.С., Филином А.П., Масленников А. М. и другими. По сравнению с расчетом стержней, расчет на продольную устойчивость шпинделей затворов трубопроводов имеет свои особенности. Известный ученый - арматурщик Гуревич Д.Ф. предлагает расчет шпинделя на продольную устойчивость вести по формуле Эйлера как для однородного стержня с эффективным диаметром, соответствующим диаметру впадин резьбы. В диссертационной работе Патриковой Т.С, на примере вращающегося шпинделя, рассмотрены и учтены: технологические несовершенства винта; переменность модуля упругости по длине шпинделя вследствие возможного неравномерного нагрева его материала; упрочняющее влияние резьбы по отношению к внутреннему диаметру.
По отношению к вращаемому шпинделю расчет выдвижного шпинделя на продольную устойчивость имеет дополнительные сложности. Выдвижной шпиндель имеет ступенчатую форму, в которой можно выделить 3 участка: верхний участок с резьбой; средний участок меньшего диаметра без резьбы; нижний участок максимального диаметра без резьбы, ограниченный в верхней своей части по боковой поверхности набивкой сальникового уплотнения. Такую конструкцию следует рассматривать как ступенчатую и в этом заключается принципиальное отличие расчета на продольную устойчивость выдвижного шпинделя, как от обычных стержней, так и вращающихся шпинделей.
А. М. Масленников проверял составные ступенчатые стержни на продольную устойчивость при помощи метода конечных элементов. Полученные им результаты следует признать положительными, но трудно осуществимыми в практических инженерных расчетах. Кроме того, выдвижные шпиндели затворов трубопроводов имеют сальниковое уплотнение, расположенное между верхним резьбовым и нижним гладким участками, которое в силу упругих свойств набивки сопротивляется изгибу. В связи с этим, необходим учет поддерживающего влияния уплотнительного сальникового устройства при возможной потере устойчивости шпинделем. А.С. Вольмир рассматривал продольную устойчивость стержней, лежащих на упругом основании. При этом, в отличие от сальникового уплотнения, поперечная нагрузка распределялась равномерно вдоль всей длины стержня.
Таким образом, моделирование потери продольной устойчивости выдвижным шпинделем затвора трубопровода, позволяющее выбрать рациональные геометрические параметры шпинделя, с учетом его ступенчатой формы, а
также поддерживающего влияния сальника является не только актуальным, но и необходимым, так как неучет столь важных факторов может привести к отказу или к неэффективной работе задвижек.
Цель работы: повышение достоверности расчетов и научное обоснование новых технических решений при проектировании затворов трубопроводов за счет учета ступенчатой конструкции выдвижного шпинделя и поддерживающего влияния сальникового уплотнения при потере шпинделем продольной устойчивости.
Объект исследования: выдвижные шпиндели затворов трубопроводов.
Предмет исследования: силовое нагружение выдвижных шпинделей затворов трубопроводов, приводящее к потере шпинделем продольной устойчивости.
Методы исследования. Исследование силового нагружения выдвижных шпинделей затворов трубопроводов проводилось с использованием фундаментальных законов механики. Условием, обеспечивающим современный уровень моделирования, является широкий анализ работ и логическая связь с теоретическими и экспериментальными результатами предыдущих исследований, сопоставление некоторых выводов с известными фактами.
Научная новизна состоит в разработке моделей, описывающих силовое нагружение выдвижных шпинделей затворов трубопроводов, приводящее к потере шпинделем продольной устойчивости, с учетом ступенчатого изменения поперечного сечения и поддерживающего влияния сальника.
Научные положения, выносимые на защиту:
модель осевого нагружения выдвижных шпинделей затворов трубопроводов при перекрытии перемещаемого потока и метод их расчета на продольную устойчивость с учетом ступенчатого изменения поперечного сечения;
расчетные формулы, позволяющие рассматривать геометрически неоднородные составляющие конструкции шпинделя в отдельности и определять суммарную величину максимальной нагрузки для конструкции в целом;
модель неравномерного поперечного нагружения выдвижного шпинделя затвора трубопровода со стороны сальникового уплотнения вследствие изгиба шпинделя при потере продольной устойчивости и расчётные формулы для учёта поддерживающего влияния сальника;
новые технические решения для конструкций шиберных задвижек с уплотнением для шпинделя и практические рекомендации по оптимизации параметров существующих конструкций затворов трубопроводов.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и разработанных методик обусловлена корректностью применения математических методов, широким использованием ЭВМ, сравнением результатов моделирования с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными.
Практическая значимость и реализация результатов. Разработан ряд инженерных методик и реализованы на ЭВМ алгоритмы и программы моделирования исследуемых задач. Предложена методика расчета выдвижного шпинделя затвора трубопровода на продольную устойчивость, учитывающая его
ступенчатую конструкцию с резьбовой, и не резьбовой частями, и с промежуточной линейно-упругой опорой, имитирующей поддерживающее влияние сальникового уплотнения.
Предложены новые конструкции шиберных задвижек с уплотнением для шпинделя и даны практические рекомендации по оптимизации параметров существующих конструкций затворов трубопроводов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались соискателем на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2010 - 2012 г.г.), XXXVI и XXXVII Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ, 2010, 2011 г.г.), XVII Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР-17) (г. Тула, ТулГУ, 2012), расширенном заседании кафедры ПМДМ (г. Тула, ТулГУ, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и общих выводов, библиографического списка из 113 наименований. Объем диссертационной работы составляет 120 страниц, в том числе 48 рисунков и 6 таблиц.
