Розглянуто питання проектування і виготовлення намотуванням з поліамідних плівок багатошарових оболонок прямоу криволінійних трубопроводів. Запропоновано спосіб з'єднання хвостовика фланця з плівковою оболонкою, представлені результати випробувань трубопроводів з багатошарових плівок.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Комков Михайло Андрійович, Сабельников Віталій Вікторович, Баслик Костянтин Петрович


Область наук:

  • технології матеріалів

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал

    Інженерний журнал: наука та інновації


    Наукова стаття на тему 'КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ ТРУБОПРОВОДОВ, намотавши З ПОЛІІМІДОФТОРОПЛАСТОВОЙ ПЛІВКИ'

    Текст наукової роботи на тему «КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ ТРУБОПРОВОДОВ, намотавши З ПОЛІІМІДОФТОРОПЛАСТОВОЙ ПЛІВКИ»

    ?УДК 539.3: 678.067

    М. А. Комков, В. В. Сабельников, К. П. Баслик

    КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ ТРУБОПРОВОДОВ, намотавши З ПОЛІІМІДОФТОРОПЛАСТОВОЙ ПЛІВКИ

    Розглянуто питання проектування і виготовлення намотуванням з поліамідних плівок багатошарових оболонок прямо-і криволінійних трубопроводів. Запропоновано спосіб з'єднання хвостовика фланця з плівковою оболонкою, представлені результати випробувань трубопроводів з багатошарових плівок.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Ключові слова: кріогенне паливо, плівкові оболонки, криволінійні трубопроводи, метод намотування.

    У пневмогідросістемах (ПГС) літальних апаратів застосовують велику кількість внутрібакових прямо-і криволінійних трубопроводів з алюмінієвих сплавів, що мають надмірно велику масу. Всі зростаючі робочі параметри рухових установок ракетно-космічної техніки, авіації і наземного транспорту, що працюють на кріогенних паливах (рідкому кисні, водні або метані) вимагають створення легких, міцних і герметичних трубопроводів для нормальних, кріогенних та підвищених температур.

    Зазначеним вимогам найбільш повно відповідають криволінійні трубопроводи середніх (dy = 50 ... 100 мм) і великих (dy = = 150.300 мм) розмірів, виготовлені багатошарової поперечної намоткой вузьких (Ьл = 20.40 мм) стрічок з високоміцних (стПМФ =

    = 80.90 МПа) поліімідофторопластових (ПМФ) плівок [1]. Це дозволяє знизити рівень згинальних навантажень при переміщенні фланців труб в процесі їх складання і монтажу. Таким чином удасться, з одного боку, відмовитися від більшості компенсаторів (сильф-нів) в системі ПГС, а з іншого - при необхідності в кілька разів збільшити несучу здатність трубопроводів за рахунок додаткової спірально-поперечної намотування на плівкову оболонку односпрямованого композиційного матеріалу, наприклад органо - або вуглепластика, сталевого волокна.

    Поліімідного плівка з двостороннім фторопластовим покриттям ПМФ-352 надійно працює як при підвищених (до 250 ° С), так і при кріогенних (до 20 K) температурах. Міцність плівки при температурі 150 ° С досить висока і становить 57 ... 60 МПа, а при температурі рідкого азоту (77 K) вона збільшується в 1,5 рази. При цьому плівка зберігає гнучкість і еластичність аж до тем-

    ператури рідкого гелію (4,2 К). Щільність плівки р1МФ = = 1420 кг / м3, модуль; ? ПМФ = 2,8 ... 3,0 ГПа.

    = 1420 кг / м3, модуль пружності (рис. 1) при нормальній температурі

    Мал. 1. Діаграми одноосного розтягання плівки ПМФ-352 (1) і лавсанової плівки ПЕТФ-0 (2)

    Важливою перевагою плівки ПМФ-352 є її зварюваність (спекаемость) під тиском і нагріванні до температури плавлення фторопласту Тф = 325 ° С, що забезпечує надійну герметичність багатошарової оболонки трубопроводу. Плівка нетоксична до температури 200 ° С. Конструкції трубопроводів, виготовлені з цієї плівки, стійкі до дії практично всіх газів, до рідких водню, кисню, гасу і їх парам. Максимальні відносні подовження при розриві плівки марки ПМФ-352 при одноосьовому розтягуванні (див. Рис. 1) досить високі, проте пружні деформації?, При яких напруги досягають 0,75 опмф, складають всього 2,5 ... 3,0%. Такі значення? близькі до граничних руйнують деформацій односпрямованих скло, органо-і вуглепластиків. При температурі рідкого азоту міцність матеріалу тороидальной оболонки [2] з багатошарової плівки ПМФ-352 становить 110 МПа, а максимальна руйнує деформація дорівнює 2,96%.

    Розглянемо вигнутий трубопровід (рис. 2), що складається з двох повторюваних в різному поєднанні елементів: прямолінійного і вигнутого. Трубопровід виготовлений спільної поперечної намоткой вузьких стрічок з постійним кроком уздовж його поздовжньої осі.

    Мал. 2. Геометричні розміри типового елемента криволинейного трубопроводу і його система координат:

    1 - оболонка з плівки ПМФ-352; 2 - напрям укладання вузьких стрічок на криволінійну поверхню оправки з постійним кроком намотування

    Далі всі напрямки на поверхні оболонки, що збігаються з віссю трубопроводу, будемо називати осьовими (або поздовжніми), а напряму, що збігаються з контуром поперечного перерізу, - радіальними (або поперечними).

    Вигнутий (тороїдальна поверхню) ділянку трубопроводу утворений обертанням окружності радіусом Я навколо центральної осі кругового тора на кут (риз вигину труби. Прямолінійний ділянку має такий же радіус перетину Я і протяжність / ц.

    Трубопровід знаходиться під внутрішнім тиском р рідини або газу. Вважаючи, що перетин трубопроводу під тиском скрізь залишається круговим, запишемо головні погонні сили для прямолінійного і вигнутого ділянок трубопроводу [3] в системі координат тороидальной оболонки (див. Рис. 2):

    N = НЦ = pR, N2 = ац Иц = pR / 2;

    (1)

    ЛГ 1 pR 2a + cos а

    N1 = аторКа = ~ - +-> N2 = аторКа = PR / 2, (2)

    де ац, а

    тор

    a + cos а

    - напруга на циліндричній і тороідальному

    ділянках по перетину оболонки (координата а); НЦ, Іта - товщина

    шарів намотування на цих ділянках труби; а = с / Я - безрозмірний параметр вигину труби (геометричний параметр тора); с - відстань від осі обертання до вершини тора.

    З рівнянь (1) випливає, що розрахункова товщина оболонки на прямолінійній ділянці трубопроводу в поперечному напрямку

    К = h1c = РразR / ^ ПМФ = c0nst, (3)

    де h1c - товщина оболонки на вершині вигнутого ділянки; рраз - тиск руйнування; сгпмф - межа міцності при розтягуванні

    багатошарової плівкової оболонки.

    Для вигнутого ділянки виходячи з умови безперервності намотування в поперечному напрямку raha = const змінна товщина шару

    Л1т = h1a = h10 - = h10 Д +1, (4)

    ra a + cos a

    де ra = R (a + cos a) - поточний радіус обертання тора; h10, r0 = R (a +1) - товщина шару намотування і радіус обертання оболонки на великому екваторі тора при вугіллі a = 0.

    Підставивши значення для h1a з виразу (4) в рівняння (2),

    знайдемо змінне напруга, що діє в поперечному напрямку вигнутого ділянки:

    = = PR (2a + cos a)

    а1тор = ° 1a = T ~ J; "TT. (5)

    2 h10 (a +1)

    Напруги (5) досягають максимуму на великому екваторі тора, отже, початкова товщина поперечного шару намотування на зігнутому ділянці

    РразR (2a + 1)

    h10 о-ГТ1Т. (6)

    2 ^ ПМФ (a +1)

    Якщо підставити вираз (6) в співвідношення (4) при вугіллі a = п / 2, можна обчислити товщину оболонки, яку потрібно намотати на циліндричній ділянці трубопроводу:

    hta = h, c. (7)

    ° ПМФ 2a

    Розрахуємо масу багатошарової полиимидной оболонки, яка утворена спільної намоткой прямолінійного і вигнутого ділянок трубопроводу з товщиною стінки h1il = h1c, визначеної

    за формулою (7):

    -1 г ,, ,, - "2; Рраз Апмф 2a +1

    Mкр.тр = mц + Mтор = ^? Тр --- 2, (8)

    аПМФ 2a

    де Мц, Мтор - маси ділянок трубопроводу; / = / Ц + / тор =

    = / Ц + / (2а *)] - довжина прямолінійного і вигнутого ділянок

    по осьовій лінії.

    Порівнявши масу криволинейного трубопроводу Мкртр з масою

    циліндричного трубопроводу Мцтр такої ж довжини /, але з товщиною стінки І1ц, отримаємо

    Мкр.тр /Мц.тр = (2а +1) / (2а). (9)

    Зі співвідношення (8) випливає, що для параметра вигину труби а = = 3 .. .4 збільшення маси криволинейного трубопроводу в порівнянні з масою циліндричної плівкової оболонки тієї ж довжини /

    і такого ж тиску становить 16,7-12,5%.

    Щоб порівняти масу намотанного поліімідного трубопроводу, що має змінну товщину стінки на зігнутому ділянці, з його металевим аналогом, які мають постійну товщину стінки на всій довжині, запишемо напруги для вигнутого ділянки металевого трубопроводу:

    pR 2а + cos а 2 h мет а + cos а

    _ I WOW / "1fY \

    ^ Мет.тор = ^ 7. __ '(10)

    мет

    Максимальні напруги пметтор досягаються на малому екваторі тора. Визначивши Лмет з виразу (10) при вугіллі а = п, знайдемо масу криволинейного трубопроводу довжиною /, отриманого методом гнуття з циліндричної труби постійної товщини:

    Л / Т - Л Л _1_ Л Л - О Е>2 / ^ раз рмет 2а -1 мет.тр _ ц тор _ тр ^ 2 (а 1) '

    де рмет - щільність металу; пт - межа плинності металу.

    Порівняємо по масі криволінійні трубопроводи з полиимидной плівки і з металу:

    М ПМФ тр = Мпмф * = П рпмф (а ~ 1) (2 а + Г). (11)

    Ммет.тр рмет ППМФ а (2 а 1)

    Згідно зі слів (11), для параметра вигину труби а = 3 ... 4 зниження маси криволинейного трубопроводу з плівки ПМФ-352

    в порівнянні з його металевим аналогом (зі сплаву Амг-6 з ат = = 180 МПа, рмет = 2,64 г / см) складе не менше 17,9%, так як металевий трубопровід практично не може бути виготовлений з розрахункової товщиною стінки.

    Криволінійні трубопроводи виготовляють методом багатошарової намотки плівки ПМФ-352 шириною 20 ... 40 мм на сталеву технологічну оправлення з подальшим спіканням намотаних шарів плівки при температурі 325 ° С протягом 0,5.1,0 год, подальшим охолодженням і видаленням оправлення з порожнини трубопроводу. Намотування - універсальний і продуктивний метод виготовлення композитних конструкцій повторюваними витками ниток або стрічок в безперервному автоматизованому режимі.

    При укладанні вузької стрічки шириною Ь = Ьл і товщиною Зл на циліндричну оправку радіусом Я (рис. 3) формування структури матеріалу оболонки залежить від величини нахлеста АЬ або кроку намотування t = t = = Ь - АЬ.

    нм

    Мал. 3. Схема укладання стрічки з плівки ПМФ-352 під час намотування на циліндричну поверхню

    За один цикл намотування, або за один прохід розкладчика стрічки уздовж осі трубопроводу на довжину / тр, оболонка може бути виконана одношарової, якщо АЬ = 0 ^ нм = Ьл), або багатошаровою, якщо крок намотування < Ьл. Якщо крок намотування кратний ширині стрічки Ьл, то за один прохід розкладчика буде намотано ціле число шарів стрічки [т] = Ь / = 1, 2, ..., п, а товщина намотування на регулярному ділянці йтр = [т] дл буде постійною на всій довжині по осьовій лінії трубопроводу.

    При цьому число проходів кпрх розкладчика уздовж осі виробу

    для намотування розрахункової товщини оболонки визначають з відношення [к] = Ноб / [т] дл. Фактична товщина оболонки трубопроводу

    ?фб = N? лкпрх = ^ сл ^ л,

    де 2сл = [т] кпрх - ціле число шарів стрічки в намотаною товщині оболонки.

    Заходне і вихідний ділянки трубопроводу, де товщина менше розрахункової, додатково домативают до товщини регулярної частини на хвостовиках фланців трубопроводу.

    Оскільки намотування щодо жорсткої полиимидной стрічки на ділянці вигину трубопроводу здійснюють на поверхню подвійної кривизни, то для забезпечення щільного прилягання стрічки до оправці мінімально необхідне натягнення стрічки визначають за формулою [3]

    2 Ч / 2 1

    : ЕПМФЬл ^ л I j

    Тл 0 П

    2 • 2 т sin а

    г. про Е111 IX

    j 1 + -2 da

    0 \ (a + cos а)

    dT-1

    де тл ='л / dce4 - відносна ширина стрічки (dce4 - діаметр поперечного перерізу трубопроводу).

    Для полиимидной стрічки при? ПМФ = 3 ГПа,'л = 20 мм, 8я =

    = 60 мкм, тл = 2/7, а = 3 було отримано ДНТ min = 1,02 Н.

    У виробничих умовах намотування трубопроводів з плівки ПМФ-352 проводять зі швидкістю УПМ = 6.8 м / хв. При цьому натяг стрічки ^ М.Л = (0,06.0,08) Браз, де Браз = ° ПМФ'л3л - р ^ у-

    вирішальним навантаження (сила) стрічки при розтягуванні.

    Для стрічки шириною'л = 20 мм і товщиною 8я = 60 мкм з плівки

    ПМФ-352 з межею міцності на розрив сгПМФ = 110 МПа руйнівна сила при розтягуванні буде Браз = 132 Н, а натяг стрічки при намотуванні складе ДНМ л = 7,9.10,6 Н.

    Прямо-і криволінійні трубопроводи з полиимидной плівки забезпечені металевими або пластмасовими фланцями [4]. Щоб перетин трубопроводу всюди залишалося постійним (d = const),

    закладення плівкової оболонки в металевий фланець (рис. 4) здійснюється на розширювальному конічному хвостовику, що має уступ або бурт висотою hПМФ = (0,03.0,06) ^, і в канавці (горловині) фланця.

    Кут конусності хвостовика (див. Рис. 4) у = 9.12 °, т. Е. В межах кута тертя стрічки при її намотуванні на хвостовик металевого фланця. Довжина конуса і довжина канавки фланця зазвичай становить / кін = 15.19 мм, ширина торця фланця / торц = 6.7 мм,

    Мал. 4. Конструктивна схема з'єднання полиимидной плівкової оболонки з металевим фланцем трубопроводу:

    1 - фланець зі сталі 12Х18Н10Т; 2 - плівка ПМФ-352; 3 - поперечна обмотка сталевим волокном; 4 - кільце, центрирующее два трубопроводи

    а вся довжина фланця - не більше / фл = 35.40 мм. Діаметр фланця dфл = йу + 12 мм, де йу = йтр - 2Нпмф .

    Прямолінійні ділянки трубопроводу з плівки ПМФ-352 діаметром й = 50 мм, довжиною 295 мм з товщиною стінки к1ц = 1,15 мм

    намотували на металеву оправлення, а вигнуті ділянки - на вимиває піщано-сольову оправлення. Циліндричні зразки трубопроводів пройшли випробування внутрішнім тиском рідини. Руйнування зразків водою при нормальній температурі сталося вздовж котра утворює циліндра при середньому тиску рраз = 4,9 МПа,

    а руйнування рідким азотом - 186 ° С) - при тиску рраз =

    = 7,4 МПа. Максимальні відносні деформації руйнування рідким азотом склали 3,08%. При цьому міцність полиимидной оболонки збільшилася від 76,9 до 112 МПа, а значення модуля пружності зросла від 3,0 до 7,1 ГПа.

    Циліндричні зразки з плівки ПМФ-352 були випробувані на герметичність при нормальній температурі. Витік газу (гелію) за методом натекания в барокамері становила не більше 110-4 лмкм / с =

    про

    = 1,33 10 Вт. Після проведення 30 циклів захолажіванія рідким азотом різко виражених поверхневих дефектів матеріалу стінки не виявлено, а величина витоку газу (негерметичність трубопро-

    про про

    вода) лежить в допустимих межах, змінюючись від 5 10 до 9 10 Вт.

    Показано, що криволінійні трубопроводи з полиимидной плівки ПМФ-352 працездатні в середовищі рідкого кисню і водню, мають достатню міцність і герметичністю, мають на 20% меншу масу в порівнянні з аналогами зі сплаву Амг-6

    і можуть бути рекомендовані для їх заміни в пневмо- і гідросистемі виробів, що працюють на кріогенних паливах.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Полііміди - клас термостійких полімерів / М.П. Бессонов, М.М. Ко-тон, В.В. Кудрявцев, Л.А. Лайус. - Л .: Наука. Ленингр. отд-ня, 1983. -328 с.

    2. Буланов І.М., Комков М.А. Застосування жорстких полімерних плівок в кріогенних паливних системах аерокосмічної техніки // Укр. МГТУ ім. Н.е. Баумана. - Сер. Машинобудування. - 1992. - № 1. -С.14-24.

    3. Комков М.А., Тарасов В.А. Технологія намотування композитних конструкцій ракет і засобів ураження: Учеб. посібник. - М .: Изд-во МГТУ ім. Н.е. Баумана, 2011. - 431 с.

    4. Сабельников В.В., Комков М.А., Саморядов А.В. Технологія склеювання елементів криогенного трубопроводу // Клеї. Граматика. Технології. - 2005. - № 1. - С. 16-20.

    Стаття надійшла до редакції 19.09.2012


    Ключові слова: кріогенних ПАЛИВО /ПЛІВКОВІ ОБОЛОНКИ /криволінійних ТРУБОПРОВОДИ /МЕТОД намотування

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити