Hidrolik Hortum Tasarımı Nasıl Yapılır?
Hidrolik Hortum Tasarımı Nasıl Yapılır?
Hidrolik Hortum Tasarımı Nasıl Yapılır?
Hidrolik Hortum Tasarımı
Başarılı hidrolik sistem tasarımında, özellikle hortumun olması gerekenden daha güçlü olup olmadığıyla ilgili sorular ortaya çıkarsa, hortum mukavemetinin belirlenmesi önemli bir faktördür. Bu nedenle, takviye ile desteklenmesi gereken hidrostatik kuvvetleri hesaplamak iyi bir fikirdir. Hortum gücünün hesaplanmasıyla ilgili ayrıntılı bir tartışma için bkz. "Hidrolik Hortum Çok Güçlü mü?" Hidrolik ve Pnömatik dergisinin Kasım 2012 sayısında yayınlandı veya makalenin çevrimiçi versiyonu için burayı tıklayın.
Şekil 1. Grafik, 3.000, 2.250, 1.500 ve 1.000 Denye para-aramid iplikler için çekme testi sonuçlarını göstermektedir.
Hortum mukavemeti hesaplamalarına dayanarak, artık her bir teldeki çekme kuvvetinin ürünü olan takviyeyi ve tel sayısını tartışabiliriz:
R × N = P × (1,36 × DN2),
burada R = uzama ile ilişkili gerilim kuvveti vektörü (54,74°'de uygulanır, nötr açı), N = hortum borusunu kapatmak için gereken minimum bağ sayısı, P = sıvının hidrostatik basıncı ve DN = arasında denge olduğunda nipel çapı hidrostatik kuvvetler ve takviye (takviye telleri nötr açıda hizalanmış olarak).
Takviye bağları, sıvının hidrostatik kuvvetini gerilimle destekler. Ligamentler kendilerini hidrostatik kuvvete eşit ve zıt yönde olacak şekilde hizalarlar. Sonuçta, donatı nötr açıya hareket eder. Bağların gerilme mukavemeti ve bunların sayısı, hidrolik hortumun mukavemetinde ağır basar.
Hortum takviyesi, hortum borusu etrafında simetrik olarak sarılmış tel veya iplikten oluşan örgülü veya spiralli bağlardan oluşur. Spesifik olarak, toplam gerilim, yapıdaki toplam bağ sayısı arasında dağıtılır. Bu nedenle, bağ başına çekme kuvveti:
R = (P × 1,36 × DN2)/N,
eşit yük paylaşımı için gerekli miktar haline gelir.
Hortum takviyesi, bir hortum tertibatında hidrostatik basınçtan kaynaklanan yükü nasıl paylaşır? Yapıdaki her bağ, ne kadar gerildiği (∆L) oranında gerilim oluşturan bir yaydır. Bu şu soruyu gündeme getiriyor: Bağ esnekliği ve paralel yapı nasıl etkili hortum takviyesi sağlayabilir?
Takviye elastiktir
Hortum takviyesini hidrostatik kuvvetlere karşı hizalanan paralel yayların bir koleksiyonu olarak hayal edin. Tel veya iplikten oluşan her bir hortum takviye şeridi, gerilmeye karşı uzama sonucu sergileyen bir yaydır (Şekil 1). Bu eğri türü hem tel hem de iplik için ortaktır ve eğimi, R/ε, sırasıyla yay oranı, K veya iplik çekme modülü YTM'dir. Şekil 1'deki 1.500 Denye ipliğin kopma mukavemeti, Rmax, 87 lb ve uzama yaklaşık %3.7'dir. Yani 1.500 Denye iplik takviyesi için iplik çekme modülü:
YTM = 87 lb/0,037 = 2,351 lb.
Bu nedenle, 10 inç uzunluğunda bir iplik dizisi için YTM 235 lb/inç'tir. Tıpkı bir yayda olduğu gibi, YTM ve K uzunluğu artan veya azalan bir şekilde değişir.
Şekil 1'de gösterilen eğriler, dört para-aramid ipliği temsil eder. Ancak üreticiler tarafından gerçekleştirilen metalik tel çekme testleri benzer veriler üretmektedir. Aslında, metaller homojen, izotropik ve elastik olduğundan (ve kimyasal reaksiyona girmediğinden) metalik tel özellikleri daha kolay bulunur. Ağır şekilde işlenerek sertleştirilmiş metalik tel ile yapılan çekme testleri, Şekil 1'dekine benzer bir düz çizgi eğrisi üretir. Çizginin eğimi, gerilim ve uzama arasındaki kuvvet-uzama ilişkisini tanımlar. Eğim, elastisite modülünün bir fonksiyonudur ve yay oranı şu şekilde verilir:
K = R/∆L.
Yani tel takviyesi için yay hızı, kuvvetteki değişim bölü gerinimdir:
K = (E × A)/L0,
ve iplik için:
YTM = R (L0 × ∆L).
Sonuç olarak, tel için, tek bir tel tarafından taşınan çekme yükü şu şekilde tahmin edilir:
R = (E × A)/L0 × ∆L.
Buradaki nokta, telin sabit elastisite modülü ve kesit alanı nedeniyle tel yay hızının orijinal bağ uzunluğuna duyarlı olmasıdır. Bu nedenle, ister iplik ister tel olsun, orijinal bağ uzunluğu, yük paylaşımını etkileyen tek tasarım değişkenidir.
Takviyede eşit yük paylaşımı, her bir telin sıvı basıncının yarattığı yükün eşit bir kısmını taşımasını gerektirir. Bununla birlikte, bu sadece her bir iplik aynı gerilimi taşıyorsa olur ve bağların aynı uzunlukta başlaması gerekir.
Yay oranı kavramının bir sonucu, orijinal bağ uzunluğu ne kadar kısaysa, yayın o kadar sert olmasıdır. Bu, daha kısa bağların daha hızlı yüklendiği ve ilk kırılmalarını sağlayan anlamına gelir. İdeal olarak, tüm bağlar aynı oranda yüklenmelidir; Bunu başarmak için tüm bağların aynı uzunlukta olması gerekir.
Farklı basınçlar için farklı tasarımlar
Düşük ve orta basınçlı hortum yapıları genellikle yalnızca tek bir takviye katmanına ihtiyaç duyar. Standart uygulama, örgülü takviyeyi nötr açıda uygulamaktır. Tel takviyeli hortum düzenekleri doğal olarak yükü paylaşır çünkü tel serttir, bu da üretim süreci iyi tasarlanmış olduğu sürece bağların eşit uzunlukta olmasını sağlamayı kolaylaştırır. Ayrıca, ipliğin erişte benzeri kıvamı nedeniyle tek katmanlı iplik yapılarının üretilmesi zordur. Metal tellerde olmayan şekillerde düğümlenir, bükülür ve sallanır.
Tüm bağları tutacak yeterli tüp yüzey alanı yoksa, takviye kuvveti çok katmanlı yapıya başvurmalıdır. Ek olarak, boru %100 kapatılamaz çünkü hortum tertibatı büküldükçe, takviyenin müdahale olmadan hareket etmek için boşluğu olmalıdır. Önerilen bir çözüm, donatının eğim açısını kademelendirmektir. Başka bir strateji, telleri her katmanda nötr hatve açısında ve sonuç olarak aynı orijinal uzunlukta uygular.
Çok katmanlı yapıyla ilgili sorunlar
Aşamalı eğim açısına sahip çok katmanlı takviye, iç takviye katmanını nötr açıdan daha küçük bir eğim açısında - örneğin 53°'de uygulayabilir. Böylece, iç takviye tabakası üst tabakayla buluşacak şekilde "şişir". Bu arada, üst takviye katmanının eğim açısı nötr açıdan daha büyük olacaktır - örneğin 56°. Bu, iç katmanın etrafında "büzülmesine" neden olur. Şekil 2, bir takviye tabakasının sarmalından çözülen bir takviye telinin uzunluğunu göstermektedir. Bu temsili geometri, bağın uzunluğunun adım açısı θ ile ilgili olduğunu gösterir.
Şekil 3. Gösterilenler, 10-inç kullanan bir hortum yapısından çözülmüş tellerin nispi uzunluklarıdır. uydurma uzunluk.
Eşit yük paylaşımı, tüm bağlar arasında eşit donatı uzunluğu gerektirir ve tek katmanlı bir donatı konstrüksiyonu nötr açıya yükler çünkü iç kuvvetler bağları o noktaya kadar sürer. Öyleyse, aynı kuralın çok katmanlı güçlendirilmiş hortum tertibatları için geçerli olması gerekmez mi? Cevabı bulmak için Şekil 3, 53°, 56° adım açıları ve 54° 44” nötr açı ile bir hortum yapısına uygulanan çözülmemiş bağların uzunluklarını grafik olarak göstermektedir. 56° bağ yaklaşık 1¼-inçtir. 53° iplikten daha uzun. Hesaplanan gerinim temelinde daha uzun tel, daha kısa tel kadar yükün yaklaşık %93'ünü destekler. Yay oranı ve orijinal bağ uzunluğuna bağlı olarak, iç katman — 53° eğim açısında — dış katmandaki bağlardan daha fazla hidrostatik basınç yükü taşımalıdır.
Ama ya katman nötr açıya doğru hareket ederken iç teller şişerse? Bu fenomen, Colin Evans'ın Hortum Teknolojisinde sunduğu kuvvet dengesi tarafından şart koşulmuştur. Tek katmanlı bir tasarımda gerçekleşir, bu sayede 53°'de uygulanan takviye nötr açıya doğru hareket ederken bağlantı parçaları birbirine doğru hareket eder. Soru, aynı şeyin çok katmanlı bir yapıda olup olmayacağıdır.
İç katman, daha sert bir yay oranına sahip olduğu için daha büyük bir yük taşıyacaktır. Ayrıca, örgü açısı nötr açıya hareket ettikçe şişecektir (iç bağlar hidrolik kuvvetlerden bir ∆L uzatacaktır). Ancak dış tabakadaki bağlar yük taşımak için uzamayacaktır. Neden olmasın? İç örgü hidrostatik kuvvetlere tepki verir, bu nedenle 53° örgü açısı nötr açıya doğru hareket etmeye zorlanır. Böylece, bağlantı parçaları arasındaki hortum bölümü 10'dan yaklaşık 9.83 inç'e kısalır.
Peki, dış örgüde ne olur? 56° tabakasındaki bağlar 17,88 inçtir. uzundur, ancak ancak gerilirlerse takviye sağlayabilirler. Bununla birlikte, iç katmandaki takviye nötr açıya doğru hareket ettiğinden, bağlantı parçaları arasındaki mesafe yaklaşık 0,17 inç kısalmıştır. Dış katman için elde edilen örgü açısı yaklaşık 56.6°'ye döner ve sıkışabilir! Üst tabaka için örgü açısı döner ve sürtünme olmadığında, teller gerilmedikleri için herhangi bir yükü paylaşmayabilir.
Üst ve alt katmanlar arasındaki adım açısı farkı arttıkça yük paylaşım düzenlemesi daha az etkili hale gelir. Kademeli örgü açısı geometrisi çok katmanlı takviye çözümü, kısa teller yükün çoğunluğunu - ve muhtemelen tamamını - taşıdığı için bir çözüm olarak başarısız olur.
Optimum çok katmanlı yapı
Bağlar nötr açıda durduğunda tüm iç ve takviye kuvvetleri dengelenir. İç kuvvetler, takviye bağlarının, tellerin yaylanma hızıyla orantılı olarak uzamasına neden olur. Gerilme tek tip olduğu için tüm bağ uzunlukları aynı olduğunda eşit yük paylaşımı sağlanır. Şekil 3, yine adım veya örgü açısı ile 10 inçlik bağ heliks uzunluğu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. uydurma uzunluk. Tüm bağlar nötr açıda uygulandığında - ister bir ister 10 takviye katmanı olsun - her biri 10-inç için 17.32 inçlik bir sarmal uzunluğuna sahip olacaktır. bağlantı parçaları arasındaki taban uzunluğu. Bağ uzunluğu, aynı eğim açısında uygulandığı sürece, çok katmanlı bir yapı içindeki konumundan bağımsız olarak aynı kalır.
Bağ uzunluğu yük paylaşımını yönettiğinden, aynı uzunlukta olduklarından emin olmak için tüm bağların aynı örgü açısında uygulanması çok önemlidir. Zorluk, inşaat boyunca aynı bağ uzunluğunu yapmaktır. Üretim sürecinin arkasındaki kontrol stratejisi, hortum yapısını optimize etmenin anahtarıdır.