Моделирование напряженно-деформированного состояния манометрических трубчатых пружин

Измерения собственных частот колебаний в трубках под давлением показали, что влиянием внутреннего давления на собственные частоты колебаний можно пренебречь. При сравнении значений частот, полученных теоретически и экспериментальным путем, обнаружено расхождение в значениях от 80 до 10%, причем большее расхождение наблюдается для тонкостенных трубчатых пружин. Это связано с тем, что при расчетах не учитывалась масса наконечников, которая для тонкостенной пружины масса составляет до 90% массы самой трубки.

Рис. 17 Установка для измерения вибраций

Сравнение теоретических значений частот и экспериментальных, полученных для манометрических пружин без наконечников показало хорошее согласование (отклонение не превышает 5%).

Поэтому был предложен коэффициент, учитывающий влияние наконечника, величина которого зависит от отношения масс наконечника и трубки-заготовки. Значения этого коэффициента определяем отношением частоты собственных колебаний трубчатой пружины с наконечником к частоте колебаний пружины без наконечника, полученных в результате опытов.

Полученные значения этого коэффициента в зависимости от отношения масс для стальных и латунных пружин аппроксимированы полиномом второй степени. Исследование показало, что увеличение отношения массы наконечника к массе трубки ведет к уменьшению частоты собственных колебаний манометрических трубчатых пружин.

ВЫВОДЫ

1. На основе энергетического метода построена математическая модель и произведен расчет на прочность и жесткость трубчатых пружин с плоскоовальной средней линией сечения и произвольным законом изменения толщины стенки, то есть решение Л. Е. Андреевой обобщено для трубок переменной толщины Предложена конструкция трубчатой пружины с линейным законом изменения толщины стенки, и имеющая чувствительность в 1,6…1,8 раза больше при одинаковых напряжениях, чем пружина с постоянной толщиной стенки, а лучшие свойства обладает сечение с соотношением минимальной и максимальной толщин 0,5-0,7.

2. Проведен расчет на прочность и жесткость трубчатых пружин, используемых в манометрических термометрах и терморегуляторов. Сравнение двух типов пружин, гантелеобразного и плоскоовального с вкладышем, показало несомненное преимущество пружин с вкладышем. Рекомендуется выполнять такие трубки с соотношение полуосей а/в=8…12.

3. Разработана математическая модель манометрических трубчатых пружин произвольной формы сечения и переменной по периметру сечения толщиной стенки, на основании дифференциальных уравнений, описывающих осессиметричный изгиб кривой трубы.

4. Разработан алгоритм численного исследования и пакет прикладных программ для расчета манометрических пружин и исследования влияния геометрии пружин на их технические параметры. Получены новые и уточненные результаты, относящиеся к влиянию геометрии манометрических трубчатых пружин с переменной толщиной стенки на их техническиепараметры. На основе теоретических исследований предложен новый, защищенный авторским свидетельством, тип сечения манометрической трубчатой пружины с переменной толщиной стенки восьмеркообразного сечения

5. Создан метод расчета пружин переменного по длине сечения, в основу которого положена гипотеза о пренебрежимо малом взаимном влиянии деформаций поперечных сечений пружины. Введение указанной гипотезы позволило в качестве модели пружины с переменным сечением принять пружину, составленную из множества частей, каждая из которых имеет постоянные по длине геометрические параметры. Показано, что с увеличением числа частей погрешность решения, стремится к нулю.

Предложен ряд конструкций трубчатых пружин с переменным по длине сечением, защищенных патентами на изобретение. Решение задачи изгиба для пружины переменного сечения реализовано на ЭВМ с помощью пакета прикладных программ «Модуль.

6. Результаты исследований характеристик трех типов манометрической пружины переменного сечения показывают, что действительно пружины переменного сечения при работе в режиме силовой компенсации могут иметь лучшие характеристики, чем пружины с постоянным сечением, например тяговое усилие пружины типа плоский овал - плоский овал выше этой характеристики пружины с постоянным плоскоовальным сечением на 12%.

7. На основе уравнений Лагранжа 2 рода составлена математическая модель колебательного движения трубчатых пружин, получены выражения для определения первых двух собственных частот колебаний пружин с постоянным поперечным сечением.

8. Разработан метод определения собственных частот колебаний манометрических трубчатых пружин с переменным по длине поперечным сечением на основании дифференциальных уравнений, описывающих изгиб тонкостенного стержня в плоскости его кривизны. Составлен алгоритм определения частот собственных колебаний для ЭВМ, реализованный в пакете прикладных программ «ПКРМТП». Данный пакет программ может быть использован для расчета пружин разных конструкций с постоянным и переменным сечением.

9. Сравнение манометрических пружин с изменяющейся формой поперечного сечения по длине показало, что наибольшей частотой собственных колебаний обладают манометрические пружины, сечение которых изменяется от восьмеркообразного (в закреплении) до плоскоовального (на свободном конце). Собственная частота колебаний таких пружин выше на 20-30%, по сравнению с частотой манометрической пружины, сечение которой изменяется от эллиптического (в закреплении) до плоскоовального (на свободном конце).

10. Достоверность и эффективность результатов расчетов, получаемых с помощью прикладных программ, подтверждена сопоставлением с экспериментальными данными.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Пирогов С. П. Манометрические трубчатые пружины. / С. П. Пирогов. -C. Петербург. : Недра, 2009. - 276 с.

2. Пирогов, С. П. Расчет жесткости трубчатых пружин гантелеобразного сечения / С. П. Пирогов // Известия ВУЗов «Машиностроение». - 1980. - № 10.

3. Пирогов, С. П. Характеристики трубчатых пружин с различной формой поперечного сечения / С. П. Пирогов // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 1984. - № 12. - С. 35 - 37.

4. Пирогов, С. П. Выбор трубчатых пружин манометров / С. П. Пирогов, М. И. Абышев // Измерительная техника». - 1987. - № 1. - С. 35 - 36.

5. Пирогов, С. П. Расчет усилий в изогнутых трубопроводах некругового сечения / С. П. Пирогов, А. А. Волжаков // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. - 1997. - № 6.

6. Пирогов, С. П. Расчет перемещения трубчатой пружины с удлиненным наконечником / С. П. Пирогов, Г. И. Тыжнов // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 1979. - № 9. - С. 71 - 73.

7. Пирогов, С. П. Расчет жесткости трубчатых пружин с вкладышем / С. П. Пирогов, Г. И. Тыжнов // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 1982. - № 7. - С. 71 - 73.

8. Пирогов, С. П. Расчет жесткости трубчатых пружин сильфонообразного сечения / С. П. Пирогов, И. А. Чучумашева, Г. И. Тыжнов // Измерительная техника. - 1981. - № 12. -_С. 36-38

9. Пирогов, С. П. Исследование чувствительности трубчатых пружин сильфонообразного сечения / С. П. Пирогов, И. А. Чучумашева, Н. И. Тюнин // Изв. ВУЗов. Приборостроение». - 1982. - № 1. - С. 66 - 69.

10. Пирогов, С. П. Расчет жесткости трубчатых пружин с гофрами / С. П. Пирогов, И. А. Юльтимирова // Изв. ВУЗов. Приборостроение». - 1987. - № 11. -С 72-74.

11. Самакалев, С. С. Исследование чувствительности и жесткости манометрических трубчатых пружин переменного сечения / С. С. Самакалев, С. П. Пирогов // Известия Вузов. Нефть и газ,. - 2003. - № 3. - С. 69 - 76.

12. Устинов, Н. Н. Исследование характеристик манометрических трубчатых пружин универсального сечения / Н. Н. Устинов, С. П. Пирогов // Известия вузов. Нефть и газ. - 2003. - № 4. - С. 71 - 77.

13. Чуба, А. Ю. Определение собственных частот колебаний изогнутых труб не кругового поперечного сечения / А. Ю. Чуба, С. П. Пирогов, Н. И. Смолин // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2007. - № 1. - С. 77 - 82.

14. Чуба, А. Ю. Определение собственных частот колебаний манометрических трубчатых пружин / А. Ю. Чуба, С. П. Пирогов, С. М. Дорофеев // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2007. - № 2. - С. 70 - 74.

15. А. с. 696317 СССР, G 01 L 7/04/. Манометрическая трубчатая пружина / Г. И. Тыжнов, С. П. Пирогов, В. А. Шибанов. - №2690480/18 - 10 ; заявл. 10. 04. 78 ; опубл. 05. 11. 79, Бюл. №. 41.

16. Пат. 2093805 РФ, МПК 7, Кл. G 01 L 7/04. Манометрическая трубчатая пружина / С. П. Пирогов, Т. Г. Пономарева. - 96105858/28 ; заявл. 26. 03. 96 ; опубл. 20. 10. 97, Бюл. №. 29.

17. Пат. 2111465 РФ, МПК 7, Кл. G 01 L 7/04. Манометрическая трубчатая пружина / С. П. Пирогов, Т. Г. Пономарева, А. А. Волжаков. - 96121675/28 ; заявл. 10. 11. 96 ; опубл. 20. 05. 98, Бюл. №. 14.

18. Пат. 2215273 РФ, МПК 7, кл. G 01 L 7/04. Манометрическая пружина / С. С Самакалев. , С. П. Пирогов - 2002126835/28 ; заявл. 07. 10. 2002; опубл. 27. 10. 2003, Бюл. № 30.

19. Пат. 2215274 РФ, МПК 7, кл. G 01 L 7/04. Манометрическая трубчатая пружина / С. С. Самакалев, С. П. Пирогов. - 2002127092/28 ; заявл. 10. 10. 2002 ; опубл. 27. 10. 2003, Бюл. № 30.

20. Пат. 2216001 РФ, МПК 7, кл. G 01 L 7/04. Манометрическая трубчатая пружина (варианты) / С. П. Пирогов, Н. П. Митягин, Н. Н. Устинов, С. С. Самакалев. - 2001122276/28 ; заявл. 08. 08. 2001 ; опубл. 10. 11. 2003, Бюл. № 31.

21. Пат. 2241966 РФ, МПК 7, кл. G 01 L 7/04. Манометрическая пружина (варианты) / С. С. Самакалев, С. П. Пирогов, Н. И. Смолин. - 2003101757/28; заявл. 21. 01. 2003; опубл. 10. 12. 2004, Бюл. № 34.

22. Пат. 2249800 РФ, МПК 7, G 01 L 7/04. Манометрическая трубчатая пружина / Н. Н. Устинов, С. П. Пирогов, Н. И. Смолин. - № 2002135680/28 ; заявл. 30. 12. 2002; опубл. 10. 04. 2005, Бюл. № 10.

23. Пат. 2285904 РФ, МПК 7, G 01 L 7/04. Составная манометрическая пружина со вставками / С. П. Пирогов, А. Ю. Чуба, С. С. Самакалев- № 2005113487/28 ; заявл. 03. 05. 2005 ; опубл. 20. 10. 2006, Бюл. № 29.

24. Пат. 2279041 РФ. МПК 7, G 01 L 7/04 Манометрическая трубчатая пружина с затухающей характеристикой / С. С Самакалев. , С. П. Пирогов- № 2004135684/28 ; заявл. 06. 12. 2004 ; опубл. 27. 06. 2006, Бюл. № 18.

25. Пат. 2279042 РФ, МПК 7, G 01 L 7/04 Манометрическая трубчатая пружина с возрастающей характеристикой . / С. С Самакалев. , С. П Пирогов. - № 2004132530/28 ; заявл. 05. 11. 2004 ; опубл. 27. 06. 2006, Бюл. № 18.

26. Свидетельство на полезную модель18446 РФ, МПК 7, G 01 L 7/04. Манометрическая трубчатая пружина / С. П. Пирогов, Н. П. Митягин, А. А. Волжаков. - № 99127920/20 ; заявл. 30. 12. 99 ; опубл. 20. 06. 2001, Бюл. № 17.

27. Свидетельство на полезную модель 25795 РФ G 01 L 7/04. Манометрическая трубчатая пружина / С. П. Пирогов, С. С. Самакалев, Н. Н. Устинов -№ 2002109091 ; заявл. 09. 04. 2002 ; опубл. 20. 10. 2002, Бюл. № 29.

28. Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ №2003611920 Расчет манометрических трубчатых пружин (пружин Бурдона) / Н. Н. Устинов, С. П. Пирогов, Н. И. Смолин; заявл. 24. 06. 2003:опубл. 20. 12 2003, Бюл. №4(45).

29. Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ №2004610708 Автоматическое проектирование тонкостенных манометрических пружин (пружин Бурдона) с переменной по периметру толщиной стенки. / Н. Н. Устинов, С. П. Пирогов, Н. И. Смолин; заявл. 3. 03. 2004:опубл. 20. 06 2003, Бюл. №2(47).

30. Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ. №2005610556 РФ Программный комплекс «Модуль для расчета трубчатых манометрических пружин»/ С. С. Самакалев, С. П. Пирогов, Н. И. Смолин ; заявл. 11. 01. 2005 ; опубл. 20. 06. 2005, Бюл. №2 (51). .

31. Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ №2007612005 РФ. Программный комплекс «ПКРМТП» для расчета манометрических трубчатых пружин / А. Ю. Чуба, С. С. Самакалев, С. П. Пирогов; заявл. 2. 04. 2007 ; опубл. 17. 05. 2007, Бюл. №4(61).

Размещено на Allbest. ru