Продольная устойчивость выдвижных шпинделей затворов трубопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Ефимова, Анна Игоревна

• Ефимова, Анна Игоревна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ефимова, Анна Игоревна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЪЕКТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения о трубопроводной арматуре

1.2. Анализ подходов, посвященных исследованию процесса по-

22

тери продольной устойчивости выдвижным шпинделем

1.3. Проблемы, возникающие при расчете выдвижных шпинделей затворов трубопроводов на продольную устойчивость

1.4. Цель работы и задачи исследования

2. ПРОДОЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫДВИЖНЫХ ШПИНДЕЛЕЙ ЗАТВОРОВ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ СТУПЕНЧАТО 41 ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ИХ ЖЕСТКОСТИ

2.1. Моделирование осевого нагружения выдвижного шпинделя

41

затвора трубопровода при перекрытии перемещаемого потока

2.2. Способ расчета на продольную устойчивость выдвижных шпинделей затворов трубопроводов как стержней со ступенчатым 52 изменением поперечного сечения

2.3. Результаты численных расчетов и их анализ

2.4. Оценка продольной устойчивости конических участков тру-

65

бопроводов

3. ПРОДОЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ВЫДВИЖНЫХ ШПИНДЕЛЕЙ ЗАТВОРОВ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ ПОДДЕРЖИ- 70 ВАЮЩЕГО ВЛИЯНИЯ САЛЬНИКА

3.1. Модель поперечного нагружения выдвижного шпинделя со стороны сальникового уплотнения вследствие его изгиба при 70 потере продольной устойчивости

3.2. Вывод расчётных формул учёта влияния сальника при моделировании потери продольной устойчивости выдвижным шпинделем затвора трубопровода

3.3. Результаты численных расчетов и их анализ

81

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ВЫДВИЖНЫХ ШПИНДЕЛЕЙ И НОВЫЕ КОНСТ-

РУКЦИИ ШИБЕРНОЙ ЗАДВИЖКИ

4.1. Численные расчеты для реальных конструкций выдвижных шпинделей затворов трубопроводов и выработка практических 89 рекомендаций

4.2. Методика расчета выдвижного шпинделя затвора трубопровода на продольную устойчивость

4.3. Новые конструкции комбинированной шиберной задвиж-

89

95

ки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...

110

112

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Продольная устойчивость выдвижных шпинделей затворов трубопроводов»

ВВЕДЕНИЕ

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.

Быстрое развитие трубопроводного транспорта вызывает необходимость разработки и изготовления большого количества различных конструкций арматуры для самых разнообразных условий работы. Диапазоны изменения температур, давлений, вязкостей и других свойств различных сред, в которых работает арматура, непрерывно расширяются, поэтому число проблем, с которыми сталкивается конструктор, несмотря на большое количество выполняемых экспериментальных и теоретических исследований, все время возрастает. Конструктору приходится решать различные задачи из многих областей: механики, гидравлики, трения и износа, коррозии, прочности и жесткости деталей и т.д. Он должен прежде всего учитывать условия работы арматуры и обеспечить надежность и долговечность работы конструкции, а также ее технологичность и возможность изготовления с малыми затратами.

В связи с возрастающей ролью автоматизации управления производственными процессами, а также обеспечения безопасности, увеличивается роль электрического привода арматуры, ее дистанционного управления, что вызывает усложнение конструкций. Одним из важнейших классов трубопроводной арматуры является запорная арматура - устройства, применяемые для периодического или разового включения или отключения всего трубопровода, его части, например, в результате аварии или отдельного объекта. Они имеют разнообразные конструкции, но объединяются под общим названием затворов трубопроводов. Теоретические и экспериментальные исследования причин отказов или неэффективности затворов при перекрытии трубопровода показали, что одними из слабых мест являются шпиндели приводов затворов трубопроводов.

Все типы шпинделей арматуры при закрывании подвергаются действию значительных сжимающих усилий. Для шпинделей, длина которых превышает диаметр в 8 и более раз, обязательным является их расчет на продольную устойчивость [29. 30]. Работы по моделированию потери продольной устойчивости сжатых стержней велись и ведутся Тимошенко С.П. [9698], Болотиным В.В. [12-14], Вольмиром A.C. [19-21], Филином А.П. [99100], Барановым B.JI.[6-10], Лопой И.В. [64-66] и другими. По сравнению с расчетом стержней, обычно находящихся под постоянно действующей нагрузкой, расчет на продольную устойчивость шпинделей затворов имеет свои особенности, рассмотрение которых является не только актуальным, но и необходимым при моделировании потери продольной устойчивости шпинделем при закрытии затвора.

Известный ученый - арматурщик Гуревич Д.Ф. в работах [26-31] предлагает расчет шпинделя на продольную устойчивость вести по формуле Эйлера как для однородного стержня с эффективным диаметром, соответствующим диаметру впадин резьбы. В диссертационной работе [73] Патрико-вой 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.

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.

Отмечая большой вклад в повышение технического уровня, качества и надежности трубопроводной арматуры, который внесли исследования Гуре-вича Д.Ф., Протасова В.Н., Шпакова О.Н. и других известных ученых арматурщиков, следует отметить, что, несмотря на то, что решению указанных проблем посвящены многочисленные исследования, до сих пор нет надежных теорий и приемлемых с инженерной точки зрения методик, позволяющих при проектировании и отработке конструкций приводов затворов рассчитывать рациональные геометрические, кинематические и силовые параметры шпиндельных узлов, обеспечивающие сохранение продольной устойчивости последними при аварийном закрытии заслонки.

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 современ-

ный уровень моделирования, является широкий анализ работ и логическая связь с теоретическими и экспериментальными результатами предыдущих исследований, сопоставление некоторых выводов с известными фактами.

В соответствии со сформулированной целью в первом разделе работы рассматриваются общие сведения о трубопроводной арматуре, условия ее работы и основные расчетные схемы. Уточняются силовые и скоростные характеристики арматуры, определяются усилия, необходимые для перемещения клина при закрывании задвижки и формулируются задачи исследования, решение которых необходимо при проектировании выдвижных шпинделей приводов затворов трубопроводной арматуры.

Во втором разделе работы рассматривается продольная устойчивость выдвижного шпинделя как стержня со ступенчатым изменением жесткости, нагруженного сжимающим осевым усилием. Предложен способ оценки его продольной устойчивости, позволяющий рассматривать неоднородные составляющие конструкции в отдельности и определять суммарную величину максимальной нагрузки для конструкции в целом.

Для проверки адекватности модели использовались результаты исследований, изложенные в монографиях А. М. Масленникова и С.П. Фесика. Рассматривается стержень, со ступенчато изменяющейся жесткостью с заделанным или шарнирно - закрепленными концами и сжатый продольной силой, приложенной к верхнему торцу. Проведено удовлетворительное согласование с результатами предыдущих исследователей. В заключение второй главы приводятся результаты численных расчетов и их анализ.

В третьем разделе рассматривается продольная устойчивость выдвижного шпинделя затвора трубопровода как шарнирно опертого стержня с промежуточной распределенной поперечной нагрузкой, нагруженного сжимающим осевым усилием. Предложен способ учета поддерживающего влияния сальника при моделировании потери продольной устойчивости шпинделем, позволяющий определить истинную форму потери устойчивости и величину критической нагрузки. Показано, что характеристики сальника ока-

зывают существенное влияние на параметры устойчивости конструкции и их рациональный выбор позволяет существенно повысить запас по устойчивости.

Разработанная математическая модель и соответствующий ей алгоритм численного расчета геометрических характеристик шпинделя реализованы на ПЭВМ с использованием современного программного обеспечения.

В четвертом разделе проводятся численные расчеты для реальных конструкций выдвижных шпинделей затворов трубопроводов и предлагаются рекомендации по оптимизации геометрических параметров шпинделей существующих затворов трубопроводов. С учетом проведенных расчетов, была разработана методика проектирования выдвижных шпинделей затворов трубопроводов.

С целью уменьшения нагрузки на шпиндель была предложена новая конструкция комбинированной (одновременно с вращаемым и выдвижным шпинделем) шиберной задвижки. В предложенной задвижке реализуется двухскоростной режим опускания шпинделя: быстро - медленно, что обеспечивает наиболее эффективную, безопасную и надежную работу затвора. Следует отметить, что в результате использования простого технического приема положительный эффект достигается без усложнения конструкции, например, не путем введения дополнительных сложных конструктивных элементов, а только за счет небольшого изменения (заложения дополнительной гайки в шпиндель) и рационального выбора параметров резьбы на нижней части шпинделя для существующих конструкций задвижек.

На основе расчетной модели, разработанной в третьем разделе, была предложена новая конструкция трубопроводной арматуры с уплотнением для шпинделя. Недостатками известных конструкций является необоснованность выбора характеристик уплотнения для шпинделя. Задача предложенного технического решения - повышение надежности срабатывания затвора трубопроводной арматура при значительных нагрузках, в частности, шпинделя подвижного узла, а также повышения срока его службы.

При закрытии запорного органа, шпиндель испытывает значительные сжимающие осевые нагрузки и в результате чего может потерять продольную устойчивость - изогнуться и не выполнить заданные функции по закрытию запорного органа. При опускании шпиндель, проходящий наружу из корпуса через крышку с отверстием и сальниковой камерой, с натягом через уплотнительное кольцо из цветного металла или сплава, расположенное в сальниковой набивке, получает дополнительную опору по боковой поверхности, что обеспечивает сохранение шпинделем продольной устойчивости при больших сжимающих нагрузках. Было показано, что увеличение осевой длины более 3-4% от общей длины шпинделя нецелесообразно, так как приводит к увеличению трения без значимого увеличения боковой поддержки.

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.

Таким образом, в диссертации представлено новое решение, построенное с использованием современных методов анализа и широким применением ЭВМ, важной научно-технической задачи моделирования потери продольной устойчивости выдвижным шпинделем затвора трубопровода, позволяющее выбирать рациональные геометрические параметры шпинделя, обеспечивающие сохранение его продольной устойчивости при закрытии затвора.

1. ОБЪЕКТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения о трубопроводной арматуре

К трубопроводной арматуре относятся различные механизмы и устройства, предназначенные для управления движением по трубопроводам потоков жидкостей, газов (паров), а также сыпучих материалов [22-23]. Трубопроводная арматура применяется, прежде всего, в трубопроводном транспорте, а также в различных областях машиностроения, в металлургии и энергетике [27-29].

Трубопроводной арматурой оснащаются многие установки и агрегаты в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в авиастроении и судостроении, жилищном и промышленном строительстве [25-26]. Так, например, судостроительная, авиационная и космическая промышленности помимо основных требований предъявляют к арматуре еще требование минимального веса конструкции, что делает весьма актуальной задачу оптимизации их расчета и проектирования с одновременным обеспечением высокой степени безопасности,. В энергетике (атомные электростанции) используется арматура в условиях, требующих повышенную степень ее надежности, что показала авария в Фукусиме (Япония). Новые задачи требуют новых научных и конструктивных решений. С дальнейшим развитием техники число проблем, с которыми сталкивается конструктор, несмотря на большое количество выполняемых экспериментальных и теоретических исследований, все время возрастает [28].

Одним из важнейших классов трубопроводной арматуры являются клиновые задвижки [27-29] (рис. 1.1) - устройства, применяемые для включения или отключения участка трубопровода или объекта. Теоретические и экспериментальные исследования причин отказов или неэффективности задвижек показали, что шпиндели арматуры при закрывании подвергаются действию значительных сжимающих усилий, в результате которых могут потерять продольную устойчивость.

Корпус

Рис. 1.1. Задвижки клиновые РЫ 63, 160, 250 по ТУ 3741-001-075336042008.

Винтовая пара «винт - гайка» в механизмах управления затворами применяется в различных конструкциях задвижек, так как обладает значительными преимуществами по сравнению с другими механизмами, а именно: простотой конструкции, компактностью и малыми габаритами, свойством самоторможения, благодаря которому давление среды не может произвольно изменять заранее установленного положения затвора [27].

В зависимости от условий работы шпиндели арматуры можно разделить на следующие типы: вращаемые, выдвижные и ввинчиваемые [26-29].

При вращаемом шпинделе подъем и опускание клина, диска или тарелки осуществляется с помощью гайки, заложенной в клин. Поворачивая маховик (или шестерню в электроприводе) при закрывании или открывании задвижки, шпинделю сообщается только вращательное движение. Продольное

перемещение шпинделя исключено благодаря наличию бурта, который воспринимает нагрузки, действующие вдоль оси шпинделя.

При выдвижном шпинделе управление затвором осуществляется путем вращения гайки, связанной с маховиком (или шестерней электропривода). Шпиндель имеет только поступательное движение. Поворот шпинделя исключен благодаря тому, что головка его имеет прямоугольное или квадратное сечение и входит в паз клина или диска.

Ввинчиваемый шпиндель совершает в затворе винтовое движение, то есть вращается вокруг оси, и одновременно с этим опускается или поднимается. Тарелка клапана, связанная шарнирно со шпинделем, перемещается вместе с ним поступательно. В ввинчиваемом шпинделе предотвращение поворота шпинделя обычно осуществляется при помощи шпонки.

Шпиндели двух первых типов обычно применяются в задвижках, а шпиндели третьего типа используются в конструкциях вентилей.

Наиболее распространенной является клиновая задвижка с выдвижным шпинделем. В магистральных трубопроводах, в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в авиастроении и судостроении на ее долю приходится более 90 % всех используемых задвижек. Поэтому, именно клиновая задвижка с выдвижным шпинделем в дальнейшем рассматривается в представленной работе.

На рис. 1.2 и 1.3 представлены схемы и основные размеры задвижек клиновых с выдвижным шпинделем с ручным и электроприводом соответственно.

Как отмечалось ранее, винтовая часть шпинделя составляет не более половины от его всей длины. Более того, сокращение этой части существенно уменьшит габариты затвора и безопасность его работы, так как именно винтовая часть шпинделя выходит из задвижки наружу. Неожиданно возникшие препятствия могут нарушить безопасную работу затвора.

Рис. 1.2. Задвижка клиновая с выдвижным шпинделем с ручным приводом

В зависимости от обозначения основные размеры задвижек колеблются: диаметр прохода ЭЫ от 50 до 2000 мм; давление РЫ от 16 до 250 Н/см2; длина шпинделя Н от 345 до 1662 мм; удлинение шпинделя до 30; применяемые резьбы от Тг20х4 до Тг50х8. Приводы обеспечивают крутящий момент на винте до 1050 Нм.

При таких условиях нагружения шпиндели арматуры при закрывании подвергаются действию значительных сжимающих усилий, в результате ко-

торых могут потерять продольную устойчивость.

Рис. 1.3. Задвижка клиновая с выдвижным шпинделем с электроприводом

В диапазонах размеров, выходящих за указанные пределы, применение задвижек ограничено. Положительными качествами задвижки являются сравнительная простота конструкции и малое гидравлическое сопротивление. У

задвижек коэффициент гидравлического сопротивления находится обычно в пределах £ = 0,08 ч- 0,2 в то время как у вентилей он составляет % = 3 ч- 5 и более. Малое гидравлическое сопротивление задвижек делает их особенно ценными, например, для трубопроводов, через которые постоянно движется среда с большой скоростью, в частности для трубопроводов большого диаметра.

В энергетике - на электростанциях, в водопроводах, газопроводах, в нефтеобрабатывающей промышленности и т. д. - в качестве запорного устройства - затвора, как правило, используются задвижки, а вентили используются лишь при малых иу> Недостатком задвижек является их относительно большая высота, поэтому в тех случаях, когда затвор должен быть, как правило, закрыт, а открывание производится редко, в целях экономии места при Ву < 200 мм используются вентили.

В настоящее время имеется большое разнообразие конструкций задвижек, которые можно подразделить по различным признакам на группы.

Задвижки обычно изготовляются полнопроходными, т. е. диаметры отверстий в проходах задвижки не сужаются. В некоторых случаях, с целью экономии места при монтаже и с целью уменьшения усилий и моментов, необходимых для управления, применяются суженные задвижки, у которых диаметры отверстий в корпусе сужаются. На рис. 1.4 показана суженная задвижка с симметричным сужением, а на рис. 1.5 - с несимметричным. Суженные задвижки имеют больший коэффициент гидравлического сопротивления, чем полнопроходные.

Рис. 1.4. Задвижки с симметричным сужением корпуса

Большое значение для работы задвижек имеет расположение резьбы шпинделя и ходовой гайки - расположены ли они внутри задвижки, в среде или вынесены за пределы зоны рабочей среды. По этому признаку задвижки можно подразделить [28-29] на задвижки с выдвижным и невыдвижным шпинделем, У первых резьба находится снаружи (рис. 1.5), у вторых - внутри полости задвижки (рис. 1.6).

Рис. 1.5. Задвижки несимметричным сужением корпуса

Нормальная работа резьбовой пары шпиндель - ходовая гайка может протекать лишь в чистой среде, не коррозирующей и не засоренной твердыми примесями, поэтому задвижки с невыдвижным шпинделем имеют ограниченное применение в средах: чистая вода, масло и некоторые другие [28-29]. В задвижках с невыдвижным шпинделем затруднены наблюдение, уход и ремонт резьбовой пары, поэтому при коррозионных средах: кислотах и щелочах, а также для пара и в других ответственных случаях используются задвижки с выдвижным шпинделем [28-29].

Задвижки с невыдвижным шпинделем имеют меньшие габариты по высоте, что делает целесообразным их применение для подземных коммуникаций, колодцев, в качестве нефтяных фонтанных задвижек для установки на «елках» нефтяных скважин и т. д [28-29]. В последнее время число конструкций задвижек с невыдвижным шпинделем сокращается. В зависимости от расположения уплотняющих колец в корпусе задвижки можно разделить на параллельные и клиновые [28-29]. В параллельных задвижках уплотняющие кольца корпуса расположены параллельно, в клиновых задвижках (рис. 1.7.) кольца расположены под углом.

Рис. 1.7. Задвижка клиновая с составным клином (двухдисковая)

Параллельные задвижки могут иметь два диска с клиновым распором или один плоский диск для работы самоуплотнением. Последняя конструкция применяется сравнительно редко.

Клиновые задвижки, в свою очередь, подразделяются на задвижки [28-29] с цельным клином (рис. 1.8) и задвижки клиновые двухдисковые, у которых клин образуется двумя дисками, расположенными под углом (рис. 1.1). Применение цельного диска создает жесткую и надежную конструкцию,

но жесткость клина, полезная для обеспечения надежной плотности замка, создает при колебаниях температуры опасность заклинивания клина со всеми вытекающими отсюда последствиями из-за невозможности открыть задвижку. В задвижке с двухдисковым клином вероятность заклинивания значительно меньше. Цельный клин в задвижке лучше направляется, чем двухдисковый, что является ценным качеством. В последнее время разрабатываются конструкции упругого цельного клина [30-31].

Рис. 1.8. Задвижка клиновая с цельным клином

Задвижки изготовляются из чугуна, стали, цветных металлов и сплавов и из пластмасс. Задвижки большого прохода для малых давлений иногда изготовляются сварными.

Поперечное сечение корпуса задвижки может иметь вид прямоугольника, овала или круга. Такое же сечение имеет и соответствующая крышка [2829].

При расчете задвижки для условий самоуплотнения обычно считают, что клин полностью перекрывает проход и соприкасается с одним из уплотняющих колец корпуса. Это соответствует моменту, когда сила давления среды на клин имеет наибольшую величину. В другие промежуточные моменты разность давлений среды на поверхность клина меньше и силы сопротивления имеют также меньшую величину. За расчетный принимается второй период закрывания задвижки [26].

1.2. Анализ подходов, посвященных исследованию процесса потери продольной устойчивости выдвижным шпинделем

Работы по моделированию потери продольной устойчивости сжатых стержней велись и ведутся Тимошенко С.П., Вольмиром A.C., Филином А.П., Масленников А. М., Лопой И.В. и другими. По сравнению с расчетом стержней, расчет на продольную устойчивость шпинделей затворов трубопроводов имеет свои особенности [26].

Известный ученый арматурщик Гуревич Д.Ф. в своих многочисленных монографиях [26 - 31] предлагает расчет шпинделя на продольную устойчивость вести по формуле Эйлера как для однородного стержня с эффективным диаметром, соответствующим диаметру впадин резьбы:

Qko =

TT2EJ

кр 9

где ()кр — критическая нагрузка стержня; Е — модуль упругости материала; 3 — момент инерции сечения; Ь — длина стержня; /л — коэффициент длины, зависящей от характера закрепления.

При расчете выдвижных шпинделей на продольную устойчивость очень важно выбрать схему, правильно отображающую условия работы шпинделя, и определить расчетную длину его рабочей части [26]. В частности в работе [26] Гуревич Д.Ф. предлагает в шпинделях за расчетную длину принимать либо всю длину 1, либо наибольшую из величин 1] и /2 (рис. 1.9).

9

Рис. 1.9. Расчетная схема для выдвижного шпинделя при проверке на продольную устойчивость

Существует мнение [25], что на продольную устойчивость влияет общая длина Ь, которая и должна считаться расчетной. Действительная величина критической нагрузки, вызывающая разрушение шпинделя, будет значительно больше, нежели критическая нагрузка, рассчитанная с учетом длины Ь, что объясняется поддерживающим влиянием сальникового устройства,

которое в случае деформации шпинделя при продольном изгибе явится промежуточной опорой.

Если проследить за поведением шпинделя при возрастании действующей нагрузки по Гуревичу Д.Ф. [26], то можно сделать вывод, что до тех пор, пока нагрузка не достигнет величины критической С>Кр(1) при соответствующей длине шпинделя Ь, шпиндель будет находиться в устойчивом состоянии; когда нагрузка превысит величину Окр(1), шпиндель начнет изгибаться и получит прогиб на величину, допускаемую зазором между шпинделем и втулкой крышки. После того как шпиндель в своей средней части упрется в стенку втулки или тело крышки (при отсутствии втулки), схема работы его на продольную устойчивость изменится. Расчетными величинами становятся Ь] и Ьг, шпиндель становится трехопорным и приобретает большую устойчивость. Отсюда, однако, не следует, что расчет можно производить, исходя из условий второго периода работы шпинделя, так как при работе арматуры следует обеспечить наиболее легкую управляемость и гидравлическую плотность соединений, в особенности подвижных сопряжений. С этой точки зрения работа шпинделя по схеме второго периода крайне нежелательна, так как при этом может резко возрасти трение во втулке (а возможно и в гайке шпинделя) и увеличится опасность заедания шпинделя во втулке сальника. Условия работы сальникового узла значительно ухудшаются. В связи с этим целесообразно нагрузку на шпиндель поддерживать не выше критической при расчетной длине шпинделя Ь [26]. Вместе с тем, учитывая, что эта величина не определяет прочности шпинделя, запас по отношению к критической нагрузке в этих условиях можно принимать сравнительно небольшим. По мнении. Гуревича Д.Ф. предельно допустимая нагрузка на шпиндель не должна превышать наименьшую из вёличин:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ефимова, Анна Игоревна, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Авдеев Б.А. Техника определения механических свойств материалов./М.: Машгиз -1958, 320с.

2. Александров А.В. Сопротивление материалов./М.: Высшая школа - 2000, 560 с.

3. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя : в 3 т. Т.1 / В.И.Анурьев; под. ред. И.Н. Жестковой .— 9-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение-1, 2006 .- 928 с.

4. Арматура промышленная общего и специального назначения. Справочник в 2-х книгах. А.И. Гошко - М.: Мелго, 2007. -376 с.

5. Баранов В.Л., Карпухин В.П., Лопа И.В. Особенности проектирования динамических приводов затворов трубопроводов. - Тула, 2002. - 192 с.

6. Баранов В.Л., Лопа И.В. Неустойчивость ударно нагруженных стержней // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1995.- №1-3.- с. 45 - 47.

7. Баранов В.Л., Лопа И.В., Толоконников Л.А. Волновая неустойчивость стержней при продольном сжимающем ударе. // IV Международная НТК "Лаврентьевские чтения": Сб. тез. докл. - Казань, 1995.- с. 9.

8. Баранов В.Л., Лопа И.В., Христов Х.И., Чивиков З.Ч. О форме представления распределения напряжений по длине стержня при моделировании динамической продольной неустойчивости. В кн. "Теоретична и при-ложна механика", БАН, София, 1996. - с. 34 - 37.

9. Баранов В.Л., Лопа И.В., Чивиков З.Ч., Симеонов П.С. Устойчивость ударно нагруженных стержней.- Тула: ТулГУ. 1997. - 128 с. (монография).

Ю.Баранов В.Л., Лопа И.В., Христов Х.И., Чивиков З.Ч. Неустойчивость и разрушение длинных стержней. / « Известия технического Университета. Технические науки «, т.5, Пловдив, Республика Болгарии, 1996.- с.89- 104.

П.Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений: в 2 т.-М.: Физматгиз, 1962.-Т.2.-620 с.

12.Болотин, B.B. Прочность. Устойчивость. Колебания: справочник : в 3 т. Т.З. /В.В.Болотин [и др.] / под общ. ред. И. А. Биргера, Я. Г. Пановко .- М. : Машиностроение, 1968 .- 567 с.

13.Болотин В.В. Динамическая устойчивость плоской формы изгиба.// Инж. сб. - 1953. -№5.- с. 109-122.

14.Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систем. - М.: Физмат-гиз, 1961.-360

15.Бронштейн И.Н., Семиндяев К.А. Справочник по математике.//М.: Наука, 1966.-608 с.

16.Бушуев В.В. Практика конструирования машин./М.: Машиностроение -2006, 356 с.

17.Варганов В.О., Колычев М.В., Гребенникова В.М. Расчет передачи винт-гайка./ГОУВПО СПбГТУРП.-СПб, 2009 - 44 с.

18.Владимиров В.С.Уравнения математической физики./М.:Наука,1971-512с.

19.Вольмир А. С. Сопротивление материалов: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки и специальностям высшего профессионального образования в области техники и технологии / А. С. Вольмир, Ю. П. Григорьев, А. И. Станкевич; под ред. Д. И. Макаревского. — Москва : Дрофа, 2007. — 591, [1] с. : ил.,

20.Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем./М.:Наука,1967-560с.

21.Вольмир А. С. Устойчивость упругих систем. - М.: Физматгиз, 1963.-880с.

22.ГОСТ Р 52720-2007.Арматура трубопроводная.Термины и определения-Введ.2008-01-01 .—М. : Стандартинформ, 2007 .— IV, 16с.

23.Гошко А.И. Арматура трубопроводная целевого назначения. (3 части). /Справочник.-М.: Машиностроение -2003, 992 с.

24.Григорьев Е.Т., Приварников Ю.К. Экспериментальное исследование потери устойчивости при осевом ударе / Гидро - аэромеханика и теория упругости: Межвуз. научн. сб.-Днепропетровск.- 974.- вып. 18.- с. 122 - 127.

25.Гумеров А.Г., Мустафин Ф.М., Кантемиров И.Ф. Трубопроводная арматура./ Издательство: УГНТУ -2007, 326 с.

26.Гуревич Д.Ф. Конструирование и расчет трубопроводной арматуры. - М.: Машиностроение, 1968, 888 с.

27.Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура./М.: Машиностроение, 1975,312с.

28.Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура./ Справочное пособие//М.: Машиностроение - 1981, 346 с.

29.Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. //М.: Машиностроение - 1987, 518 с.

30.Гуревич Д.Ф.Расчет и конструирование трубопроводной арматуры: промышленная трубопроводная арматура, конструирование трубопроводной арматуры."/ Изд. ЛКИ.-2008,416 с.

31.Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура. Справочное пособие / Книжный дом "Либроком"-2009, 368 с.

32.Дарков, A.B. Сопротивление материалов / A.B. Дарков, Г.С. Шпиро. - М. : Высшая школа, 1989.- 624 с.

33.Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. - М.: Наука, 1978,- 228 с.

34.Денейко К.С., Леонов М.Я. Динамический метод исследования устойчивости сжатого стержня // Прикл. мат. и мех.- 1955.- №6.- с. 138-144.

35.Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин./ Академия-2003,496 с.

36.Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин./ Высшая школа, 1970-368 с.

37.Ефимова А.И., Судаков С.П., Лопа И.В. Фланцевое соединение с возможностью самоцентрирования крепежных болтов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2: в 2 ч. Тула: Издательство ТулГУ, 2009, ч.2, с. 66 -73.

38.Ефимова А.И., Судаков С.П. Продольная устойчивость винтов с промежуточной линейно - упругой опорой // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2: в 2 ч. Тула: Издательство ТулГУ, 2009, ч.2, с. 73 - 79.

39.Ефимова А.И. Изменение моментов инерции поперечного сечения по длине винта // Тезисы докладов XXXVI всероссийской конференции «Га-гаринские чтения», Москва: МАТИ, 2010

40.Ефимова А.И.Анализ потерь в гидравлическом трубопроводе // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - с.

41.Ефимова А.И.Основы расчета гидравлических потерь // Тезисы докладов VI всероссийской конференции «Актуальные проблемы космонавтики», г. Красноярск, 2010

42.Ефимова А.И. Учет поддерживающего влияния резьбы при определении прогибов винтов// Тезисы докладов XXXVII всероссийской конференции «Гагаринские чтения», Москва: МАТИ, 2011

43.Ефимова А.И., Панченко Е.В., Лопа И.В. Продольная устойчивость выдвижных шпинделей затворов трубопроводов с учетом ступенчато изменяющейся их жесткостью.// "Известия ТулГУ. Серия Технические науки». Вып. - Тула: ТулГУ, 2012.

44.Ефимова А.И., Панченко Е.В., Лопа И.В. Продольная устойчивость выдвижных шпинделей затворов трубопроводов с учетом поддерживающего влияния сальника.// "Известия ТулГУ. Серия Технические науки». Вып. -Тула: ТулГУ, 2012.

45.Ефимова А.И. Особенности расчета на продольную устойчивость выдвижных шпинделей запорной арматуры// Тезисы докладов VI всероссийской конференции

46.Ефимова А.И., Панченко Е.В. . Проектирование выдвижных шпинделей затворов трубопроводов// Сб. материалов XVII Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР-17), Тула: ТулГУ, 2012. - с. 76-79.

47.Жуков A.M. Упругие свойства материалов и сложное нагружение// Инженерный сборник. - 1960. - №3.

48.3еменков Ю.Д., Малюшин H.A.,. Маркова JI.M,. Лощинин А.Е. Технологические нефтепроводы нефтебаз. Справочное издание Тюмень-1994 г.

49.В.А. Зорин. Основы работоспособности технических систем./ ООО "Ма-гистр-Пресс"-2005, 536 с.

50.Ильичев C.B. Арматура наружных водопроводных сетей. Эксплуатация. Взгляд на перспективы арматуростроенияю/ Журнал «Трубопроводная арматура и оборудование» №2 2007 г.

51 .Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. - Москва: Наука, 1976 г.-486 с.

52.Кельзон A.C., Журавлев Ю.Н., Январев Н.В. Расчет и конструирование роторных машин./ Машиностроение - 1977, 288 с.

53.Крейтер C.B. и др. Основы конструирования и агрегатирования: Учеб. По-собие./М.: Издательство стандартов - 1983, 224 с.

54.Кишко A.B., Жуникова Т.Л. Резьбовые соединения. - СПб.: ГОУВПО СПбГТУРП, 2005. - 44 с.

55.Колтунов М.А., Кравчук В.П., Майборода В.П. Прикладная механика деформируемого твердого тела.// Москва: Высшая школа, 1983. -349 с.

56.Корнев В.М. О формах потери устойчивости упругого стержня при уда-ре.//ПМТФ.- 1968.-№3.-с. 63 -65.

57.Корноухов Н.В. Прочность и устойчивость стержневых систем.- М.: Стройиздат, 1949.- 456 с.

58.Кузьмин А.В Расчеты деталей машин./М.: Машиностроение-1986, 400с.

59.Курмаз Л.В., Курмаз О.Л.. Конструирование узлов и деталей машин. / М.: Высшая школа. - 2007, 455 с.

60.Курмаз Л.В., Скойбеда А.Т. Детали машин. Проектирование: Справочное учебно-методическое пособие./ Высшая школа-2005,312 с.

61.Ландау Л.Д., Лившиц Е.М.Теория упругости./ T.IV.,M.: Наука,1987 - 246с.

62.Леликов О.П. Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин: учебник для ВУЗов. - М: Машиностроение, 2004 - 409 с.

63.Линдберг Г.Е. Потеря устойчивости тонкого стержня при ударе // Прикл.

механика. - 1965. - №2.- с. 34 -38.

64.Лопа И. В. Оценка амплитуды прогиба стержня после потери устойчивости / "Известия ТулГУ. Проблемы специального машиностроения" , Тула: ТулГУ. - 1997. с. 73 - 77.

65.Лопа И.В., Патрикова Т.С. Определение момента инерции поперечного сечения винта.// "Известия ТулГУ. Серия Проблемы специального машиностроения". Вып.2 - Тула: ТулГУ, 2011-е. 236-241.

66.Лопа И.В., Патрикова Т.С., Ефимова А.И. Поперечный изгиб винта с учетом изменения момента инерции по его длине.// "Известия ТулГУ. Серия Проблемы специального машиностроения". Вып.11 - Тула: ТулГУ, 2011-с.241-245.

67.Лопа И.В., Патрикова Т.С., Ефимова А.И. Учет поддерживающего влияния резьбы при определении прогибов винтов роторно-вращательных насосов.// "Известия ТулГУ. Серия Технические науки». Вып.1.- Тула: ТулГУ, 2010.

68.Лопа И.В., Патрикова Т.С.Влияние резьбы на продольную устойчивость винтов запорной арматуры.// "Известия ТулГУ. Серия Технические науки ". Вып.1. - Тула: ТулГУ, 2010.

69.Мархель И.И. Детали машин. /Издательство: Форум Инфра-М -2009,336 с.

70.Машиностроение. Энциклопедия/ Ред. Совет: К.В. Фролов (пред.) и др.//Машины и оборудование кузнечно-штамповочного и литейного производства. Т.1У-4/Ю.А.Бочаров, Н.Е. Проскуряков и др.-М.: Машино-строение-2005, 926 с.

71.Николаенко В.Л. «Прикладная механика. Расчет типовых элементов конструкций»./ Изд-во Гревцова.-2010,386 с.

72.Общие требования к приводам для трубопроводной арматуры, принципы и показатели их выбора./ Журнал «Трубопроводная арматура и оборудование».!^ 2007 г.

73.Патрикова Т.С. Продольный изгиб винтов передачи «винт-гайка» затво-

ров трубопроводов. Дис. К.т.н.: 05.02.02. Тула, 2011

74.Писаренко Г.С. Сопротивление материалов./Киев: Вища школа,986.-775 с.

75.Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов./ Наукова думка-1988, 736 с.

76.Плотников Д.М. Исследование замкнутых дифференциальных механизмов на базе передачи «винт-гайка». Дис. К.т.н.: 05.02.18. Ижевск, 2004

77.Прикладная механика: учебник для втузов / Г.Б. Иосилевич [и др.] - М. : Высшая школа, 1989. -351 с.

78.Промышленная трубопроводная арматура. Каталог, ч.1/Иванова О.Н., Устинова Е.И., Свердлов А.И.//М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1979, 190 с.

79.Промышленная трубопроводная арматура. Каталог, ч.2/Иванова О.Н., Устинова Е.И.//М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1977, 120 с.

80.Промышленная трубопроводная арматура. Каталог, ч.З/Иванова О.Н., Пайкин И.Х., Устинова Е.И., Свердлов А.И.//М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978, 136 с.

81. Проскуряков Н.Е., Бочаров Ю.А., Власов A.B. Разработка обобщенной динамической модели винтового пресса с муфтовым приводом .//Исследования в области пластичности и обработки металлов давлением./ Тула, ТПИ,1986 - с. 130-136.

82.Проскуряков Н.Е. Исследования внецентренного нагружения винтового пресса.// Исследования в области теории, технологии и оборудовании штамповочного производства./Тула, ТПИ, 1989-с.123-126.

83.Решетов Д.Н. Детали машин. //Учебник для вузов. Изд. 3-е. испр. и пере-раб. /М.: Машиностроение, 1974 - 655 с.

84.Рощин Г.И., Самойлов Е.А. и др. Детали машин и основы конструирования./ Дрофа-2006,415 с.

85.Ряховский O.A., КлыпинА.В. Детали машин. - М.: Дрофа, 2002.-288 с.

86.Рудицын М.Н., Артёмов П.Я. Справочное пособие по сопротивлению материалов./ Минск. Типография им.Сталина-1961,516 с.

87.Светлицкий В.А. Строительная механика машин. Механика стержней. / Физматлит - 2009, 408 с.

88.Сейнов C.B. Арматура промышленная общего и специального назначения./ М.: Машиностроение, 2002. - 392 с.

89.Серенсен C.B. и др. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975.

90.Сурин В.М. Техническая механика: Учебное пособие. - Мн.: БГУИР, 2004.

- 292 с.

91.Сопротивление материалов : учебник для вузов / A.B. Александров [и др.].

- М. : Высшая школа,2000. - 560 с.

92.Справочник машиностроителя. Том 2./ Гл. ред. Ачеркан Н. С.// МАШГИЗ-1954-564 с.

93.Тавастшерна Р.И. Изготовление и монтаж технологических трубопрово-дов/М.- Высшая школа, 1985,310 е..

94.Тайминге Роджер. Разъемные и неразъемные соединения. Режущий инструмент./ Додэка ХХ1-2008,608 с.

95.Технологические особенности в производстве деталей трубопроводной арматуры. / Журнал «Трубопроводная арматура и оборудование» №5, 2004 г.

96.Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов /Перевод с английского языка под редакцией Э.И. Григолюка. -М.:Мир, 1976.- 480 с. .

97.Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости / Перевод с английского языка под редакцией Э.И. Григолюка. - М.: Наука, 1975.- 560 с.

98.Тимошенко С.П.Сопротивление материалов. Том 1,2/ М.:Высшая школа, 2000.

99.Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела./ М.: Мир, 1981. -Т.Т.1 „399 с.

100. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела./ М.: Мир, 1981. -т.т.,2.

101. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. Киев «Буди-вельник», 1970, с.308

102. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. / М.: Наука, 1986. - 512 с.

103. Чернявский С.А. Проектирование механических передач./М- Машиностроение-1976, 608 с.

104. Чернилевский, Д.В. Детали машин и основы конструирования/ Д.В.Чернилевский ./ М. : Машиностроение, 2006 .- 656с.

105. Шаповалов JI.A. Подобие и моделирование в задачах прочности, устойчивости и разрушения элементов машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1969

106. Шаповалов JI.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. М.: Машиностроение, 1990. -287 с.

107. Шашкин В.В. Надежность в машиностроении: Справочник./ Политехника-1992, 722 с.

108. Патент РФ RU2046231, МПК6 F16 J15/18, 1995

109. Патент РФ RU2205314, МПК7 F16 К41/04, 2003

110. Патент РФ RU2020347, МКП5 F16 КЗ/02, 1994

111. V. Baranov, I. Lopa, С. Christov, К. Bojadjiev Wave disturbance of rod stability // Bulgarian Academy Of Sciences, Sofia, Jornal Of Theoretical And Applied Mechanics, 1994, N 4, p.38-42.

112. V. Baranov, I. Lopa, C. Christov, Z. Tchivikov. On the Concept about Distribution of Stress Along a Rod in Modelin a Dinamic Longitudinal Instability // Bulgarian Academy Of Sciences, Sofia, Jornal Of Theoretical And Applied Mechanics, 1996, N 4, p.27-33.

113. Bailey R. W. Creep of steel under simple and compound stresses and the use of high initial temperature in steam power plant. // Transactions of the World Power Conference. V. 3. - Tokyo: 1989.

114. Kolski H. An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading. // Proc. Phys. Soc. (London), B62, 1999, p. 676700.