Выбор критериев проектирования мягких пневмодомкратов

В зависимости от уровня их автоматического управления и контроля силовые механизмы могут исполнять роль опор, каркасов, подъемников, перегружателей, манипуляторов и движителей.

Традиционно в основу технологии изготовления мягких оболочек заложены следующие принципы проектирования:

1.Формальным признаком оптимизации раскройной формы является создание равнопрочной поверхности вращения оболочки.

2. Критерием несущей способности МО является условие складкообразования, то есть соотношение размеров полуосей симметрии

( 1 £ a/b£Ö2 ). Поверхность раскроя должна быть без складок и морщин. Складкообразование считается признаком неправильного раскроя оболочки, при котором не учитываются деформационные свойства материала.

Любые отклонения от равнонапряженности не должны приводить ни к перенапряжению, ни к складкообразованию.

3.Оптимальным раскроем оболочки являются минимизация отходов производства с максимальным коэффициентом использования прочностных свойств материала. Целесообразность раскроя определяется простотой и удобством формирования объема МО.

4.Прочность соединительного шва должна равняться прочности основного материала. Протяженность шва должна быть минимальной.

5.Форма раскройных элементов должна позволять максимально механизировать технологический процесс.

6.Материал должен обеспечивать заданные технические свойства МО, быть технологичными, иметь минимальную стоимость, обеспечивать максимальную производительность труда, обладать допустимыми санитарно-гигиеническими характеристиками.

Из работы [2] рекомендуют следующие способы изготовления НОК: сборка из вулканизационных эластомерно-тканевых материалов на самовулканизующихся клеях; из вулканизованных и невулканизованных материалов на клеях горячей вулканизации; формовая и неформовая вулканизация в пресс-формах и на оправках; а также сварка (тепловая или высокочастотная).

В качестве армирующего материала используются: металлотрос (стальной, латунный), кордшнур, кордткань, ткань двухосновного и объемного переплетения («аэромат»).

Эластомерным покрытием материалов для ЭД в основном выбраны хлоропреновые резины, обладающие стойкостью к износу, воздействию нефтепродуктов, а также термопласты (полиуретаны, поливинилхлориды).

В зависимости от эксплуатационных требований для ЭД используют оболочки следующих форм: цилиндры с различными формами торцев (полусфера, конус, тюбик, плоскость), тороиды, подушки, панели, линзы.

От геометрической формы оболочки зависят изменения соотношения размеров оболочки (сжатие, растяжение); изменения площади контакта; поверхности свободной от контакта с грузом, объема, работы давления.

Поиски рациональных геометрических форм по раскрою, технологичности, объемно-планировочному решению, напряженно-деформированному состоянию под нагрузкой, привели к разработке ряда новых обоснований выбора поверхностей МО вообще и ЭД в частности.

В работе предложены следующие основные научно-технические идеи и методы.

Эластомерные домкраты находятся в состоянии энергетического равновесия под действием внешней сжимающей нагрузки, избыточного давления среды и сил растяжения оболочки, при проектировании определяемых по уравнению Лапласа [2]:

T = DP/R = DPV x3S/2; (1)

где DP – избыточное давление, Па;

V – объем, см³;

R – радиус боковой кривизны, см;

T – растягивающее погонное усилие, H;

S – площадь поверхности, см².

Установлено, что для любой реальной МО существуют расчетные, вписанная и описанная, равнонапряженные сферические оболочки, напряжения которых в точках их касания с реальной оболочкой равны по величине, а при линейном касании и по направлению (Рис.6).

Показано [2], что максимальное натяжение реальной оболочки пропорционально рабочему давлению, высоте и соотношению размеров полуосей ее центрального сечения.

Рис. 6. Зависимость уровня напряженности сжатой рабочей среды от расстояния до центра напряжения (равнонапряженной модели: вписанной / Rcc / и описанной / Rсд / вокруг реальной оболочки прямоугольной в плане).

Приведение формы оболочки к равнонапряженным расчетным сферическим моделям позволяет использовать простые канонические уравнения осесимметричной сферической равнонапряженной оболочки.

В результате такого подхода можно сравнить, оценить и выбрать с единых позиций форму ЭД в зависимости от соотношения размеров полуосей симметрии. При этом необходимо иметь в виду, что растягивающие усилия в реальной оболочке будет всегда меньше, чем у описанной вокруг нее модельной сферы.

Следовательно, любая реальная оболочка является нормально ненапряженной, а значит, отмеченный выше первый принцип проектирования (равнопрочность для ЭД) некорректен и им можно пренебречь.

Следовательно, второй критерий проектирования ЭД можно сформулировать следующим образом: условие складкообразования является граничным для бесскладчатых форм оболочек, моделируемых овалоидом вращения (в частном случае сферой).

За пределами условия складкообразования расчетной является так называемая «пузырьковая модель» из блока упругих сфер, вписанных в реальную оболочку, имеющих одинаковый диаметр, равный высоте деформированной оболочки.

Тогда – вписанные упругие сферы растягивают оболочку по поверхности, свободной от контакта со сжимающим грузом: кольцевыми (меридиональными), а также окружными распорными усилиями.

Так как ЭД обычно работает за пределами границы бесскладчатости, образование складок и морщин на оболочке происходит в местах разрыва непрерывности нагрузок и кривизны поверхности.

Складкообразование зависит от соотношения размеров деформированной оболочки, и для оболочек вращения может быть определено уравнением гипоциклоиды:

m = a / b = R_H / r_H, (2)

где a, b – большая и малая полуоси симметрии оболочки;

R_H, r_H – радиусы направляющей (описанной) и производящей (вписанной) сфер, соответственно;

m– количество складок.

Таким образом, складкообразование на поверхности оболочки не является признаком неправильного раскроя, а является критерием проектирования, служащим качественным индикатором распределения растягивающих усилий от внешней нагрузки.

Предварительно напряженные эластичные домкраты, способные сопротивляться внешним силовым воздействиям, эксплуатируются в области сверхнизких и низких рабочих давлений (0,001 – 0,1 МПа) и по энергетическим свойствам делятся на защитные и силовые.

В общем случае энергетическое равновесие деформированной мягкой оболочки в условиях воздействия внешней сжимающей нагрузки (Q) определяется зависимостью (1):

3/2DP V – Q H = N S,

Откуда N = 3/2DP V / S – Q H / S = 1/2DP R – 1/2Q H / S_k =

= 1/2DP(R– H); (8)

где H, S – высота и боковая поверхность деформированной оболочки;

S_k– площадь контакта оболочки с грузом.

Для силовой оболочечной конструкции это уравнение является условием равновесия, энергетическим балансом работ давления, массы нагружающего груза и растяжения оболочки.

Такой подход позволяет установить связь между работами объема, давления, растягивающими усилиями материала оболочки при деформировании и массой груза [3]:

TS = 3/2 DPV – QH, (9)

где H – высота деформированной оболочки;

А_Д = DPV – работа давления;

А_М = QH – работа массы груза;

А_Р = TS – работа растяжения оболочки.

Очевидно, что при растяжении упругого резинового материала требуется усилие, зависящее от физическо-механических свойств материала: N= 1/2 DPR(1–μ)/Е_р, (10)

где Е_р – модуль упругого растяжения материала;

μ – коэффициент поперечного сжатия.

Аналогично, природа натяжения резиноармированного материала в области упругого напряжения условно подчиняется закону Гука, а растягивающие усилия и радиусы кривизны рассматриваются как двухосные: вдоль меридиана оболочки – меридиональные (N₁,R₁) и широтные (окружные) (N₂ , R₂).

То есть, формула разности работы натяжения поверхности оболочки принимает вид:

N₁/R₁– N₂/R₂=1/2 DPR(1–μ)/Е_р(11)

Технологическое проектирование МО из эластомерных армированных материалов до настоящего времени производилось, главным образом, методом проб и ошибок.

Например, раскрой МО, основанный на получении равнонапряженных поверхностей осуществлялся по лекальным кривым, максимально приближая заготовку к расчетной схеме. В результате чего образовывались отходы материала от криволинейного кроя, увеличивалась доля ручного труда в технологическом процессе, снижения эффективности использования прочностных свойств материала.

Следует отметить, что недостатком неравнонапряженных конструкций является повышенный расход материала (приблизительно на количество отходов при раскрое криволинейных швов).

Прямолинейный шов позволяет снизить отходы раскроя материала (S_от). Например, на раскрое вышки сферы эта величина составляет не менее:

S_от = 1 – 2/p = 36%. (6)

Однако такой расход компенсируется повышением степени использования прочности материала, что равносильно использованию менее прочной (более чем в два раза) армирующей основы, увеличением уровня рабочего давления, улучшением технических характеристик ЭД.