Другие журналы
|
научное издание МГТУ им. Н.Э. БауманаНАУКА и ОБРАЗОВАНИЕИздатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408![]()
Определение конструктивно-технологических параметров трубопроводов, изготовленных намоткой из полиимидной пленки
# 03, март 2013 DOI: 10.7463/0313.0541990
Файл статьи:
![]() УДК 539.3:621.002.3 Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Введение. В пневмо-гидросистемах (ПГС) летательных аппаратов (ЛА) применяется большое количество прямо и криволинейных трубопроводов, выполненных из алюминиевых сплавов, и имеющих излишне большую массу. Все возрастающие рабочие параметры двигательных установок ракетно-космической техники, авиации и наземного транспорта, работающих на криогенных топливах: жидком кислороде, водороде или метане – СН4, требуют создания легких, прочных и герметичных трубопроводов для нормальных, криогенных и повышенных температур. Этим требованиям наиболее полно отвечают криволинейные трубопроводы средних (dy = 50…100 мм) и больших (dy = 150…300 мм) размеров, изготовленные многослойной поперечной намоткой узких ( Характеристика материала трубопровода. Полиимидно-фторопластовая пленка (ПМФ-352) представляет собой комбинированный пленочный материал на основе полиимидной пленки ПМ-1 толщиной 30, 40, 50, 60, 100 мкм с двухсторонним покрытием из фторопласта марки Ф-4МД толщиной 5…7 мкм. Пленка ПМФ-352 надежно работает как при повышенных (до 280 °С), так и при криогенных (до 20 К) температурах. Прочность пленки при нормальной температуре достаточно высока Важным достоинством пленки ПМФ-352 является ее свариваемость (спекаемость) под давлением 2,0…2,2 МПа и нагреве до температуры плавления фторопласта С другой стороны результаты испытаний тороидальных оболочек из пленки ПМФ-352 жидким азотом [3] показали, что многослойные пленочные оболочки при двухосном растяжении деформируются упруго-пластично вплоть до разрушения, а максимальные средние деформации по поперечному сечению оболочки составляют всего 2,96 %. При этом средняя реализуемая прочность пленочного материала оболочки оказалась равной
Основное содержание. Рассмотрим криволинейный трубопровод (рис. 1), состоящий из двух повторяющихся в различном сочетании элементов: прямолинейного и изогнутого. Трубопровод изготовлен совместной намоткой прямого и изогнутого участков узкой полимерной лентой в поперечном направлении с постоянным шагом вдоль его продольной оси. Далее все направления на поверхности оболочки, совпадающие с осью трубопровода, будут называться осевыми или продольными, а направления, совпадающие с контуром поперечного сечения - радиальными или поперечными. Изогнутый (тороидальная поверхность) участок трубопровода образован вращением окружности радиуса R вокруг центральной оси кругового тора на угол
Рис. 1. Геометрические размеры типового элемента криволинейного трубопровода и его система координат:
Трубопровод находится под внутренним
где
где Для изогнутого участка из условия непрерывности намотки в поперечном направлении:
где
Напряжения (5) достигают своего максимума на большом экваторе тора, следовательно, начальная толщина поперечного слоя намотки на изогнутом участке
Подставив (6) в соотношение (4) при угле
Определим массу многослойной полиимидной оболочки, образованную совместной намоткой прямолинейного и изогнутого участков трубопровода с толщиной стенки
где
Из соотношения (9) следует, что для параметра изгиба трубы Чтобы сравнить массу намотанного полиимидного трубопровода, имеющего переменную толщину стенки на изогнутом участке, с его металлическим аналогом, имеющим постоянную толщину стенки на всей длине, запишем напряжения (2) для изогнутого участка металлического трубопровода
Максимальные напряжения (10) достигаются на малом экваторе тора. Определив
где
Согласно выражению (12) для параметра изгиба трубы Изготовление криволинейных трубопроводов производится методом многослойной намотки пленки ПМФ-352 шириной 20…40 мм или более на стальную технологическую оправку с последующим спеканием намотанных слоев пленки при температуре 325 °С в течение 0,5…1,0 часа, последующим охлаждением и удалением оправки из полости трубопровода. Намотка – универсальный и производительный метод изготовления композитных конструкций повторяющимися витками нитей или лент в непрерывном автоматизированном режиме. На рис. 2 показана схема укладки узкой ленты шириной
Рис. 2. Схема укладки при намотке ленты ПМФ-352 на цилиндрическую поверхность
За один цикл намотки или за один проход раскладчика ленты вдоль оси трубопровода на длину При этом число
где Так как намотка относительно жесткой полиимидной ленты на участке изгиба трубопровода производят на поверхность двойной кривизны, то с целью обеспечения плотного прилегания ленты к оправке минимально необходимое натяжение ленты определяют из выражения [4]:
где В производственных условиях намотку трубопроводов из полиимидной пленки ПМФ-352 производят со скоростью
Для ленты шириной Прямо и криволинейные трубопроводы из полиимидной пленки снабжены металлическими или пластмассовыми фланцами [5]. Чтобы сечение трубопровода всюду оставалось постоянным:
Рис.3. Конструктивная схема соединения полиимидной пленочной оболочки с металлическим фланцем трубопровода:
Угол конусности хвостовика (рис. 10) Общий вид образцов трубопроводов из полиимидной пленки ПМФ-352 показан на рисунках 4,а и 4,б.
Рис. 4,а. Общий вид криволинейного трубопровода и конструктивное оформление разъемного соединения
Рис. 4,б. Полиимидные трубопроводы с металлическими фланцами
Прямолинейные участки трубопровода из полиимидной пленки ПМФ-352 диаметром Изготовленные цилиндрические образцы из пленки ПМФ-352 были испытаны на герметичность при нормальной температуре. Утечка газа (гелия) по методу натекания в барокамере составляла не более 1·10-4 л·мкм/с (1,33 10-8 Вт). После проведения 30 циклов захолаживания жидким азотом резко выраженных поверхностных дефектов материала стенки не обнаружено, а величина утечки газа или негерметичность трубопровода лежит в допустимых пределах, изменяясь от 5·10-8 до 9·10-8 Вт. Заключение. Было показано, что криволинейные трубопроводы из полиимидной пленки ПМФ-352 являются работоспособными в среде жидкого кислорода и водорода, обладают достаточной прочностью герметичностью, имеют на 20 % меньшую массу по сравнению с металлическими аналогами из сплава АМг-6 и могут быть рекомендованы для их замены в пневмо и гидросистеме изделий, работающих на криогенных топливах.
Список литературы 1. Бессонов М.П., Котон М.М., Кудрявцев В.В., Лайус Л.А. Полиимиды - класс термостойких полимеров. Л.: Наука, 1983. 328 с. 2. Карякин Н.В. Термодинамика ароматических гетероцепных и гетероциклоцепных полимеров. Монография. Нижний Новгород: ННГУ, 1998. 267 с. 3. Буланов И.М., Комков М.А. Применение жестких полимерных пленок в криогенных топливных системах аэрокосмической техники // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 1992. № 1. С. 14-24. 4. Комков М.А., Тарасов В.А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 431 с. 5. Сабельников В.В., Комков М.А., Саморядов А.В. Технология склеивания элементов криогенного трубопровода // Клеи. Герметики. Технологии. 2005. № 1. С. 16-20. Публикации с ключевыми словами: криогенное топливо, полиимидные пленки, криволинейные трубопроводы, метод намотки Публикации со словами: криогенное топливо, полиимидные пленки, криволинейные трубопроводы, метод намотки Тематические рубрики: Поделиться:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|