Михайлов В.В., адъюнкт Ульяновского высшего военно-технического училища
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ДЕМОНТАЖА СОЕДИНЕНИЯ «РАСТРУБ» С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ПЕРЕДНЕЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ
РАЗЪЁМНОЙ ВТУЛКИ
Для демонтажа полевого сборно-разборного трубопровода с соединением «Раструб» монтажнику необходимо прикладывать большие физические усилия. С целью облегчения нагрузки на монтажника и обеспечения быстрого демонтажа произведём исследование процесса демонтажа соединения труб и выбор рационального профиля передней рабочей части разъёмной втулки.
Для облегчения проведения теоретического исследования и более подробного рассмотрения, процесс взаимодействия деталей ключа и воздействия силовых потоков, при демонтаже соединения «Раструб», разобьём на несколько этапов.
В ходе теоретического исследования получили в окончательном виде зависимость для определения суммарной силы трения 3-2, действующей на стальное запорное кольцо со стороны раструба:
f [tg(а - Г) + tg(«2 - Г)]
Ра 3-2 = Рр-1-. (1)
1 - ^ (а 2 - Г)
Задача профилирования рабочей части разъёмной втулки состоит в определении наиболее выгодного угла а2 наклона нормали относительно продольной оси трубопровода в точке контакта С (см. рис. 1).
Величина угла а2 влияет на угол наклона элементарного вектора D r5-2 и согласно формулы 2, с увеличением угла а2 возрастает потребная сила Fa5 - 2.
1 + ftg(а -г)
Fa 5-2 = Fr-i--(2)
1 - ftg(а2 -Y)
Влияние величины угла а2 сказывается на взаимодействии стального запорного кольца со всеми нагруженными деталями демонтируемого соединения «Раструб». Передняя рабочая часть конуса разъёмной втулки первоначально контактирует с элементом dL стального запорного кольца в точке С. Нормальная сила dFn5-2 приложена в точке С и направлена по нормали поверхности элемента dL к его центру. Вектор dFn5-2 наклонен к оси трубопровода на угол:
r - a
а2 = arc sin-; (3)
r
где: r = 3,475 мм - средний радиус сечения стального запорного кольца;
а - координата точки С, совпадающей с точкой сопряжения окружности элемента dL стального запорного кольца с образующей рабочего конуса разъёмной втулки.
Рис. 1. Схема действия силовых потоков, влияющие на построение профиля передней рабочей части разъёмной втулки
Для конуса разъёмной втулки угол наклона прямой образующей к оси конуса равен:
аз = 900 - а2 (4)
С уменьшением координаты а увеличивается угол а2 и уменьшается угол а3 (см. формулы 3 и 4). С уменьшением угла наклона прямой образующей а3 появляются отрицательные и положительные признаки рабочего конуса разъёмной втулки, как в начале, так и в конце рабочего хода разъёмной втулки, а также при её обратном ходе (при выталкивании манжеты из раструба):
увеличиваются силы нормального давления стального запорного кольца на поверхность радиусной выемки раструба ёБп2-3 и, соответственно, увеличиваются суммарная сила трения Ба3-2 (см рис. 1 и формулу 1) и потребная осевая сила Ба5-2 (см. формулу 2). Это наиболее влиятельное отрицательное последствие уменьшения угла а3, сказывающееся в начале рабочего хода разъёмной втулки;
увеличиваются продольный размер рабочего конуса разъёмной втулки и глубина запада-ния стального запорного кольца в пространство между кромкой венчика манжеты и рабочим конусом, с частичным сжатием запорного кольца в начале обратного хода разъёмной втулки. Это является отрицательным последствием уменьшения угла а3, так как приводит к увеличению осевой силы а3-2 , действующей на стальное запорное кольцо со стороны поверхности Е1 раструба и к увеличению усилия, необходимого для выталкивания манжеты из раструба, в заключительном периоде демонтажа соединения «Раструб»;
увеличиваются радиальные силы, действующие на переднею часть разъёмной втулки со стороны венчика манжеты, когда в конце рабочего хода разъёмная втулка упирается в венчик манжеты, происходит отрицательное явление - разжатие, изгиб передней части разъёмной втулки и её расклинивание;
уменьшается потребная осевая сила нагружения разъёмной втулки при окончании разжатия стального запорного кольца. Уменьшается сила нормального давления стального запорного кольца на поверхность Е раструба, когда разжатие стального запорного кольца заканчивается с его упором в поверхность Е раструба. Соответственно, уменьшается и сила трения стального запорного кольца с поверхностью Е раструба и облегчается завершение разжатия
стального запорного кольца. В этом заключается положительное последствие уменьшения угла а3 в конце рабочего хода разъёмной втулки;
уменьшается величина составляющей нагружения разъёмной втулки, потребной для деформирования микропористой подкладки. Это наиболее важно, когда она засорена или пропитана водой в нижней части раструба и промерзла. При этом, в конце рабочего хода появляется принудительный перекос разъёмной втулки, что способствует её заклиниванию или, по крайней мере, значительному увеличению сил трения разъёмной втулки с манжетой и с раструбом. Преодоление асимметричного местного сопротивления и принудительного перекоса облегчается с уменьшением угла а3, что является важным положительным последствием.
Если, для исследования, примем рабочий конус разъёмной втулки под углом а3 = 370, то ему присуще все охарактеризованные выше отрицательные и положительные признаки.
При этом, элементарная нормальная сила ёЕп5-2, являющаяся движущей силой, более направлена не в сторону сдвигания стального запорного кольца, а в поперечном направлении, что вызывает увеличение элементарных нормальных сил ёБП2-3 и сил трения ёБе^ (см. рис. 1). Проведённые вычисления по формуле 1 и 2 при /= 0,15, у= 8,5310, а1= 10,361° дают: повышенную величину суммарной силы трения Ба3-2, действующей на стальное запорное кольцо со стороны раструба:
увеличенную потребную осевую силу, действующую на стальное запорное кольцо со стороны разъёмной втулки:
Следовательно, увеличение угла а3 (уменьшение угла а2) в начале рабочего хода разъёмной втулки, позволит облегчить выталкивание стального запорного кольца из радиусной выемки раструба. Далее, слабые силы упругости, в начале разжатия кольца, вполне преодолимы при увеличении угла а3.
Произведённый анализ уменьшения угла а3 показывает, что целесообразно ещё дважды скорректировать цифру а3=370 на 7-80, увеличивая угол а3 до 450 (угол а2=450) у передней кромки конуса и уменьшая угол а3 до 300. (угол а2=600 ) далее, у основания конуса (см. рис. 2).
Ба3-2= 0.178 Бг-1;
(5)
Ба5-2 = 1.178 Бг-1.
(6)
Рис. 2. Схема нагружения сил и движения манжеты, стального запорного кольца и раструба относительно условно неподвижной разъёмной втулки, начиная со второго и до полного окончания четвёртого периода демонтажа
В сущности, это условие оптимизации технического решения.
Выполнены все геометрические расчёты, определены все радиусы ЯР разжимающих окружностей разъёмной втулки (рис. 2), вычислены все размеры рационального профиля передней рабочей части разъёмной втулки (рис. 3).
Незначительное усложнение, рационализация профиля передней рабочей части разъёмной втулки - выполнение двух конических поясков с углами наклона образующих а3= 450 и а3= 300 вместо одного конического пояска с углом а3= 370 позволяет существенно улучшить условия демонтажа соединения «Раструб» в разных периодах: в начале рабочего хода разъёмной втулки; в конце рабочего хода разъёмной втулки; при обратном ходе разъёмной втулки вместе с манжетой.
2.435Н12 1\У
Рис. 3. Геометрическое построение рационального профиля передней рабочей части разъёмной втулки (с размерами допусков для рабочего чертежа)
На рис. 2, в частичном осевом разрезе соединения «Раструб», разъёмная втулка условно рассматривается неподвижной - в её собственной системе координат Х1О1У. Ось абсцисса совпадает с продольной геометрической осью трубопровода.
В этой системе координат, рассматривается движение манжеты, стального запорного кольца и раструба относительно условно неподвижной разъёмной втулки, начиная со второго и до полного окончания четвёртого периода демонтажа, когда торец манжеты доходит до упора внутри раструба и стальное запорное кольцо окончательно разжимается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. - М.: Высшая школа, 1995.
2. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. В 3-х т. - М.: Машиностроение, 1992.
3. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1976.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.