Параметрические исследования клапана с рукавным приводом на этапе проектирования

УДК 62.396

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛАПАНА С РУКАВНЫМ ПРИВОДОМ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

А

© В.Б. Ракицкая1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты предварительных исследований запорного устройства с рукавным приводом на базе твердотельной параметрической модели. Рассмотрена методика параметрического моделирования. В ходе исследования установлены предпочтительные параметры: толщина стенки эластичного органа запорного устройства, соотношение диаметров проходной трубы и запорного органа, длина запорного органа, положение запорного органа по отношению к проходной трубе. Проведён анализ процесса открытия устройства. Ил. 11. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: запорное устройство; рукавный привод; параметрическая модель; инженерный анализ.

PARAMETRIC STUDIES OF VALVE WITH HOSE DRIVE AT DESIGN STAGE V.B. Rakitskaya

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the results of preliminary studies of a shut-off device with a hose drive based on a parametric solid model. The parametric modeling methodology is considered. The study allowed to determine the preferential parameters including the wall thickness of the shut-off device elastic body, the diameter ratio of the flow-through pipe and the shut-off body, the length of the shut-off body, the position of the shut-off body towards the flow-through pipe. The analysis of device opening is carried out. 11 figures. 5 sources.

Key words: shut-off device; hose drive; parametric model; engineering analysis.

В современном мире широко используются эластичные оболочечные конструкции, выполненные из полимерных материалов. Эластичные конструкции нашли применение во многих областях промышленности. В числе первых оболочечных механизмов были аэростаты, спасательные круги, подъёмные устройства.

Основным конструктивным элементом эластичных механизмов является оболочка, выполненная из реального эластичного материала и заполненная рабочей средой. С помощью тороидальных оболочек можно обеспечить продольное и поперечное перемещение, создавать тяговое усилие. За счет свойства «выворачивание - наволакивание» тороидальные оболочки используются в эластичных механизмах в качестве мягких движителей, с помощью которых возможна замена жесткой рычажной системы на упругие оболочки [1].

Эластичные оболочки в последнее время находят применение и в трубопроводной арматуре. К настоящему времени создан большой банк вариантов конструкций трубопроводной арматуры с эластичными запорными органами. Анализ информации по применению эластичных оболочечных материалов в трубопроводной арматуре показал, что новые изделия зачастую обладают принципиальной новизной и могут иметь заметные эксплуатационные преимущества [2].

В ряде таких запорных устройств в качестве источника энергии для приводов используется давление самой транспортируемой среды. Приводы устройств

могут работать и от внешних источников энергии. Такой принцип работы и использование оболочечных конструкций позволяют уменьшить количество расходуемого металла, исключить точные, в том числе и винтовые детали, снизить требования к качеству обработки, поскольку обеспечить герметичность при использовании эластичных материалов гораздо проще. На рис.1 приведена схема одного из таких устройств. Принцип работы устройства следующий.

В корпусе 1 выполнено расширение в виде колена трубы 2, размещённого поперёк проходного сечения корпуса 1 [3]. При этом размер диаметра колена трубы 2 превышает величину диаметра корпуса 1, а проходное сечение корпуса 1 устройства пересекает колено трубы 2 в средней его части со стороны большего радиуса. В колене трубы 2 в качестве запорного органа установлено заглушенное и закреплённое по концам колено упругого эластичного рукава 3. Соотношение размеров колена упругого эластичного рукава 3 и корпуса 1 выбирается таким образом, что проходное сечение устройства в открытом положении больше или равно сечению соединяемых труб. Колено упругого эластичного рукава 3 закреплено по торцам в расширении корпуса 1 с помощью фланцев 4 и крышек 5. Для подачи и удаления рабочей среды из упругого эластичного колена рукава 3 на корпусе 1 установлен штуцер 6.

Устройство работает следующим образом. При закрытии устройства рабочая среда под давлением не менее давления в трубопроводе подаётся в полость

1Ракицкая Валентина Борисовна, аспирант, тел.: 89086699370, e-mail: rakickaya-vb@mail.ru Rakitskaya Valentina, Postgraduate, tel.: 89086699370, e-mail: rakickaya-vb@mail.ru

Рис. 1. Схема запорного устройства

упругого эластичного колена 3, которое расправляется и перекрывает рабочее сечение корпуса 1 устройства. Перекрытие устройства может осуществляться или вследствие упругих свойств материала упругого эластичного колена 3 и давления среды, подаваемого из трубопровода, или за счёт большего давления от внешнего источника.

При открытии устройства давление в полости упругого эластичного колена 3 сбрасывается через штуцер 6 и за счёт давления среды в трубопроводе эластичная оболочка упругого эластичного колена 3 со стороны большего радиуса колена трубы 2 деформируется и отходит, освобождая проходное сечение.

Целью работы является предварительное определение предпочтительных значений конструктивных параметров устройства на базе исследований твердотельной параметрической модели.

Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:

1) Выделить исследуемые параметры устройства.

2) Построить параметрическую модель устройства со взаимосвязанными конструктивными параметрами.

3) Провести исследования модели устройства.

На первоначальном этапе выделяются исследуемые параметры:

• Соотношение диаметров проходной трубы и запорного органа.

• Положение запорного органа по отношению к проходной трубе.

• Длина запорного органа.

• Толщина стенки эластичного органа.

Для определения вышеперечисленных параметров требуется построить геометрическую модель клапана в системе автоматизированного проектирования и исследовать ее с помощью методов инженерного анализа.

Параметрическое моделирование позволяет получать различные конструктивные варианты модели с помощью изменения параметров или геометрических соотношений. Возможность описать модель через ее параметры позволяет в дальнейшем получать аль-

тернативные варианты модели и выбирать наиболее оптимальный вариант автоматически. При параметризации создается математическая модель объекта с параметрами, при изменении которых происходят изменения его конфигурации и взаимные перемещения его составных частей.

Параметрическая модель в Autodesk Inventor основана на табличной параметризации. Она включает геометрическую модель, таблицу размеров и информацию о связях размеров с изображением. Таблица размеров может в процессе исправляться и дополняться. Информация о связях размеров с изображением - главное звено параметрической модели. Параметризация в Autodesk Inventor позволяет автоматически изменять геометрию детали через изменение значений параметрических размеров. Любой размер может быть преобразован в параметрический [4].

Построение осуществляется с помощью плоских эскизов, при создании которых используются стандартные геометрические фигуры (рис. 2).

Рис. 2. Построение модели запорного устройства

Дальнейшее построение ведется с помощью стандартных функций программы, например, таких как «Вытягивание», «Заметание вдоль направляющей» и т.д. (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Построение проходной трубы

Рис. 4. Построение боковых поверхностей корпуса устройства

Следующим этапом является создание внешней таблицы в Microsoft Excel. Данная таблица будет содержать параметры, управляющие размерами и формой клапана. Для начала в таблицу вводятся значения, которые определяются по стандарту (внутренний и наружный диаметры трубы, внутренний и наружный

диаметры запорного органа и т.д.) Далее в таблице прописываются размеры, которые зависят от стандартных размеров. Так, например, можно получить зависимость внутреннего радиуса эластичной части от стандартного значения внутреннего радиуса металлической запорной части:

Дэл . в н утр _ ^ ме т . в н утр _ ,

где Дэл . в нутр - внутренний радиус эластичной сти; Дмет . внутр - внутренний радиус металлической запорной части; t - толщина эластичной части.

Внешняя таблица привязывается к существующему файлу детали. В окне Autodesk Inventor открывается таблица, в которой представлен список параметров, относящихся к детали (рис. 5).

После нажатия кнопки «Связь» в окне «Параметры» программа импортирует внешнюю таблицу в диалоговое окно «Параметры».

Теперь задаются параметры клапана. Сначала назначаются параметры размеров, контролирующих эскизы. Численные значения размеров обозначаются в соответствии с таблицей параметров. В итоге получается параметрический эскиз запорного органа (рис. 6). Аналогичным образом осуществляется привязка всех эскизов и элементов модели к таблице параметров.

После того как всем параметрам, определяющим форму и размер детали, заданы значения, можно управлять размерами клапана из внешней таблицы. При изменении значений параметров в окне Microsoft Excel в окне Autodesk Inventor обновляются все данные, тем самым программа производит новый расчет детали, используя значения из внешней таблицы. Файл детали обновляется в соответствии с табличными значениями параметров клапана (рис. 7).

Рис. 5. Таблица «Параметры»

ЯЙН

с таблицей параметров Рис. 8. Расчетная модель запорного устройства

Рис. 7. Параметрическая модель

Следующим этапом является экспортирование геометрической модели в систему анализа, проектирования и моделирования MSC.Patran с расчетным модулем MSC.Marc. После экспортирования на геометрическую модель накладывается конечно-элементная сетка. В приложении Materials определяются материалы для анализа модели. Модель материала - это совокупность свойств, описывающих физические свойства данного материала (жесткость, плотность и т.д.). Материал эластичной части запорного устройства - резина, металлической части -сталь. Задаются граничные условия и нагрузки. Под нагрузкой в нашем случае подразумевается давление рабочей среды. Граничные условия описываются в терминах степеней свободы, то есть направлений, в которых модель может двигаться поступательно или вращательно.

После создания расчетной модели наступает стадия анализа. Для этого программа MSC.Patran генерирует входной файл для расчетной системы MSC. Marc. Результаты, полученные по итогам расчета в Marc (после решения задачи), обычно представлены в виде чисел, таких как значения перемещений в точке. Однако по ним трудно получить представление о поведении модели.

Следующим этапом является импортирование результатов анализа для визуализации в систему MSC. Patran.

Рис. 9. Результат расчета

С помощью изменения параметров во внешней таблице Microsoft Excel получаются различные конструкции запорного устройства. Требуется найти наиболее оптимальный вариант конструкции, изменяя при этом положение запорного органа относительно проходной трубы, соотношение их, толщину эластичной части и её длину.

Оценить влияние положения запорного органа относительно проходной трубы можно, изменив межосевое расстояние между ними. Межосевое расстояние изменяется в пределах от 5 до 20 мм.

Влияние соотношения диаметров запорного органа и проходной трубы определяется изменением диаметра запорной части от 250 до 350 мм при неизменном диаметре проходной трубы DY200.

Толщина эластичной части запорного органа варьируется от 5 до 12 мм. Длина запорного органа изменяется от 320 до 400 мм.

Показателем работоспособности устройства во всех случаях является стопроцентное открытие и закрытие устройства. Открытие устройства оценивается свободным пространством проходного сечения, закрытие - плотностью прилегания эластичной части к металлической части и величиной вытягивания эластичной части в проходную трубу.

В результате исследований удалось определить наиболее предпочтительный вариант конструкции запорного устройства.

Рис. 10. Оптимальный вариант устройства в открытом состоянии

Оптимальные параметры устройства, полученные в результате моделирования:

1. Межосевое расстояние запорного органа и проходной трубы 10 мм.

Рис. 11. Оптимальный вариант устройства в закрытом состоянии

2. Диаметр запорного органа РУ250 мм.

3. Длина запорного органа 350 мм.

4. Толщина эластичной части 9 мм. С помощью параметрического моделирования

можно на порядки сократить время, затрачиваемое на получение моделей, кроме того, оно дает возможность применения методов оптимизации на этапе численного моделирования.

Библиографический список

Таким образом, построена параметрическая модель запорного устройства, на базе которой проведен ряд виртуальных исследований. Удалось определить значения основных конструктивных параметров устройства, которые обеспечивают его работоспособность.

Полученные значения заложены при проектировании опытно-промышленного образца.

1. Эластичные механизмы и конструкции: монография / Шихирин В.Н [и др]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 287 с.

2. Кольцов В.П., Попова Е.С., Герасимова Е.О. Трубопроводная арматура нового поколения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. №9. С.27-31.

3. Патент РФ № 2376519 МПК3кл. F16К 7/07, 27/00. Запорное устройство для перекрытия трубопроводов / Кольцов В.П., Бухвалов А.В., Куницын А.Г. 0публ.20.12.2009. Бюл. №

35. С.7. 4. Учебные ресурс] //

пособия по Autodesk Inventor [Электронный Параметры: [сайт]. [2012]. URL: http://http://wikihelp.autodesk.com/Inventor/rus/2012/Help/2144-Учебные_2144/2145-Учебные_2145/2310-Параметр_2310.Мт (дата обращения: 03.07.2013). 5. Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC.Patran-Nastran: учеб. пособие / Е.К. Рыбников [и др.]. М., 2003. Ч.1. 130 с.

УДК 534.1: 539.3

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАССТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ НА КОЛЕБАНИЯ РАБОЧИХ КОЛЕС ТУРБОМАШИН НА ОСНОВЕ ПРУЖИННО-МАССОВОЙ МОДЕЛИ

© О.В. Репецкий1, До Мань Тунг2

1Восточно-Сибирский институт экономики и права, 664050, Россия, г. Иркутск, ул. Байкальская, 258А. 2Иркутская государственная сельскохозяйственная академия, 664038, Россия, Иркутская обл., п. Молодежный, 233а.

В исследовании колебаний машин самой популярной моделью является пружинно-массовая модель. Мы можем использовать эту модель для анализа колебания системы диск-лопатки турбомашин, а также влияния расстройки на колебания системы диск-лопатки. Для этой модели легко построить математическое описание, но трудно определить эквивалентные параметры (массу, жесткость лопатки и диска). В статье дан метод определения параметров модели и приведены математическое моделирование и решение задачи колебаний системы диск-лопатки с расстройкой параметров на основе пружинно-массовой модели. Ил. 6. Табл. 4. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: расстройка; колебания; рабочие колеса; турбомашины; пружинно-массовая модель.

1Репецкий Олег Владимирович, доктор технических наук, профессор, президент Восточно-Сибирского института экономики и права, тел.: (3952) 357144, e-mail: repetskiy@vsiep.ru

Rеpetsky Oleg, Doctor of technical sciences, Professor, President of the East Siberian Institute of Economics and Law, tel.: (3952) 357144, e-mail: repetskiy@vsiep.ru

2До Мань Тунг, аспирант, тел.: 79248220283, e-mail: manhtungcvp@yahoo.com Do Manh Tung, Postgraduate, tel.: 79248220283, e-mail: manhtungcvp@yahoo.com