Применение теории строения ткани для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии

На правах рукописи

Степанов Олег Сергеевич ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ТКАНИ ДЛЯ ПРОЧНОСТНОГО РАСЧЕТА НАПОРНЫХ ПОЖАРНЫХ РУКАВОВ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Специальность 05.19.02 – Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА).

Научный руководитель – заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Чистобородов Григорий Ильич

Официальные оппоненты:

Юхин Сергей Семенович, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО «Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина» Проталинский Сергей Евгеньевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теории механизмов и машин, деталей машин и проектирования текстильных машин ФГБОУ ВПО «Костромской технологический университет» Научно-производственное Ведущая организация объединение «КОНВЕРСИПОЛ», г.Иваново

Защита состоится «03» июля 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.061.01 при Ивановской государственной текстильной академии по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской государственной текстильной академии.

Текст автореферата размещен на сайтах ВАК и ИГТА в сети Интернет.

Автореферат разослан 31 мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кулида Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Напорные пожарные рукава Актуальность темы исследования.

представляют собой гибкие трубопроводы, применяемые для подачи воды и водных растворов пенообразователей на расстояние под давлением.

Напорные пожарные рукава, наряду с другим пожарным оборудованием, являются одним из основных видов пожарного вооружения и от их исправного состояния во многом зависит боеспособность пожарной части, а следовательно, и успешное тушение пожаров. Пожарные рукава относятся к дорогостоящему пожарному оборудованию – амортизационные расходы по эксплуатации рукавного хозяйства в большинстве случаев превышают затраты на все другие виды пожарного оборудования. Согласно ГОСТ Р 51049- напорные пожарные рукава изготавливают прорезиненными, покрытыми только внутри слоем резины, как привулканизированной к ткани рукава, так и с двухсторонним покрытием, когда слоем резины пожарный рукав покрыт как снаружи, так и внутри, а также латексированными, покрытыми внутри и снаружи слоем латекса. При пожаротушении используются также непрорезиненные напорные пожарные рукава, изготовленные по ГОСТ 472- из льняной и оческовой пряжи.

Важным элементом напорного пожарного рукава является армирующий каркас. Этот армирующий каркас представляет собой тканую несущую оболочку. Именно тканая несущая оболочка полностью воспринимает усилия, обусловленные наличием давления жидкости внутри пожарного рукава, если речь идет о непрорезиненных напорных пожарных рукавах, и в определяющей степени – в случае прорезиненных, латексированных напорных пожарных рукавов. Поэтому расчет на прочность пожарных рукавов сводится в основном к расчету на прочность их тканой несущей оболочки, представляющей собой однослойную ткань полотняного переплетения.

Анализ литературных источников по гидравлическому расчету напорных пожарных рукавов показал, что они в основном сводятся к расчету потерь напора в пожарных рукавах. К настоящему времени нам удалось обнаружить лишь один литературный источник, в котором, помимо прочих вопросов предпринята попытка по получению соотношений для расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии.

Однако подход, предлагаемый автором, имеет ряд существенных недостатков, что не может не сказаться на точности прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии. Вместе с тем, разработка методики расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии с приемлемой точностью необходима, так как имеют место случаи разрыва пожарных рукавов при тушении пожара.

Кроме того, методика расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии может быть востребована при проектировании и создании новых видов напорных пожарных рукавов.

Структура тканей несущих оболочек пожарных рукавов делает неприемлемым использование наработок по теории расчета сетчатых оболочек, в которых нити расположены по геодезическим линиям поверхности оболочки.

Вместе с тем, многие положения теории строения ткани полотняного переплетения, могут быть использованы при разработке метода расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии при учете ряда важных особенностей взаимодействия нитей в тканом каркасе рукава, а именно наличия внутреннего гидравлического давления в нем, а также того, что, в отличие от рассматриваемых в литературе тканей плоской структуры, тканые каркасы пожарных рукавов представляют собой цилиндрическую оболочку, что связано с дополнительным изгибом нитей утка в элементе ткани.

На основании вышеизложенного сделан вывод об актуальности темы исследования данной диссертационной работы, связанной с разработкой метода прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии на основе теории строения тканей полотняного переплетения.

Цель и задачи исследования. Главной целью работы является разработка метода расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии на основе теории строения тканей полотняного переплетения.

Для достижения поставленной цели разработаны теоретические основы прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии, включающие следующее:

- систему допущений при решении задачи;

- математические модели строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава и их конечно-разностные аналоги;

- зависимости для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии, полученные на основе решения приближенными методами упрощенной математической модели строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава;

- методику прочностного расчета и проектирования напорного пожарного рукава при гидравлическом воздействии, на основе которой определены параметры пожарного рукава и оценено влияние различных факторов на его прочность.

Методы исследования. При выполнении теоретических исследований в диссертационной работе использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, теории дифференциальных уравнений, механики деформируемого твердого тела, теоретической механики и нелинейной механики гибкой нити, текстильного материаловедения.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях. При этом использовалась высокоточная измерительная аппаратура.

Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики.

Достоверность разработанных теоретических основ расчета напорных пожарных рукавов и полученных на их базе зависимостей для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии подтверждена достаточно хорошим совпадением расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в разработке не имеющего аналогов в работах других авторов метода прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии на основе теории строения тканей полотняного переплетения.

Разработаны обладающие новизной теоретические основы прочностного расчета напорных пожарных рукавов на гидравлическое воздействие – математические модели строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава и их конечно-разностные аналоги, зависимости для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии, полученные на основе решения приближенными методами упрощенной математической модели строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава, методика прочностного расчета и проектирования напорного пожарного рукава с заданными характеристиками прочности при гидравлическом воздействии, на основе которой определены параметры пожарного рукава и оценено влияние различных факторов на его прочность.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Полученные в работе зависимости для расчета на прочность пожарных рукавов при гидравлическом воздействии, разработанная на ее основе методика расчета и проектирования напорных пожарных рукавов внедрены в учебный процесс кафедры «Технология текстильных изделий» ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТА).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на межвузовских научно технических конференциях аспирантов и студентов: «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск – 2006, 2012) г.

Иваново, на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс – 2012), г. Иваново, на Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2011), г. Москва;

на расширенном заседании кафедры инженерной графики ИГТА (2012 г.), на научном семинаре по проблемам повышения эффективности технологических процессов текстильной и легкой промышленности ИГТА (2012 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы полностью отражены в 8 публикациях, в том числе в 4 статьях в журнале из перечня изданий, рекомендованных ВАК: «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», 4 тезисах докладов международных научно-технических конференций. Общий объем публикаций по теме диссертационной работы 1,53 п.л. (авторских 1,2 п.л.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка используемой литературы, приложений. Основное содержание диссертации изложено на 141 странице машинописного текста, включая 14 рисунков, таблицы, список используемой литературы из 188 наименований, приложений на 1 странице, на которой приведен акт внедрения результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, обозначены основные использованные методы исследования, отмечены научная новизна, практическая значимость и реализация результатов работы, приведены сведения о публикациях по теме диссертации, о ее структуре и объеме.

В первой главе даны сведения согласно ГОСТ Р 51049-97 о типах, области применения, общих технических требованиях и методах испытания пожарных напорных рукавов. Здесь же приводится анализ литературных источников по напорным пожарным рукавам. Отмечается, что пожарным рукавам, как одному из видов пожарной техники и оборудования, уделено большое количество литературных источников. Однако в литературе приводятся в основном сведения о типах пожарных рукавов, технологии их получения, особенностях эксплуатации пожарных рукавов, их технического обслуживания, ремонта, хранения и учета. Что касается гидравлического расчета напорных пожарных рукавов, то он в основном сводится к расчету потерь напора в пожарных рукавах. К настоящему времени удалось обнаружить лишь один литературный источник по расчету на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии. Однако соотношения для прочностного расчета напорных пожарных рукавов, предлагаемые в этой работе, имеют ряд существенных недостатков, что не может не сказаться на точности расчета. Вместе с тем, такой расчет необходим, так как позволит выявить причины отмечающихся на практике случаев разрыва пожарных рукавов при тушении пожара и разработать рекомендации по предотвращению этих разрывов. Отмечается также, что методика расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии может быть востребована при проектировании и создании новых видов напорных пожарных рукавов.

Основным несущим телом как непрорезиненных, так и прорезиненных, латексированных напорных пожарных рукавов является тканая оболочка (армирующий каркас), воспринимающая гидравлическое давление жидкости, заполняющей пожарный рукав. Анализ тканей несущих оболочек напорных пожарных рукавов показал, что все они представляют собой однослойные ткани, которые могут быть отнесены к тканям полотняного переплетения. При этом по окружности пожарного рукава располагаются уточные нити, которые взаимно переплетены с основными нитями, проложенными по длине пожарного рукава. При этом прочность тканой несущей оболочки определяется в основном прочностью уточных нитей.

Упомянутая выше структура тканей несущих оболочек пожарных рукавов, а именно то, что по окружности пожарного рукава, представляющего собой цилиндрическую оболочку, располагаются уточные нити, которые взаимно переплетены с основными нитями, проложенными по длине пожарного рукава, делает неприемлемым использование наработок по теории расчета сетчатых оболочек, в которых нити расположены либо по геодезическим линиям поверхности оболочек (геодезические линии для цилиндрической оболочки – винтовые линии), либо нити имеют так называемую «шинную геометрию», когда они также располагаются по винтовым линиям, но между слоями нитей помещаются привулканизированные к нитям слои резины.

При расчете на прочность пневматических шин вводят следующее допущение: так как резина обладает существенно меньшей жесткостью, чем нити корда, то принимают, что вся нагрузка воспринимается только нитями.

Теория по расчету на прочность пневматических шин, разработанная на основе этого допущения, дает вполне надежные результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Учитывая, что толщины прорезиненных или латексированных слоев пожарного рукава малы (составляют менее 1 мм) и меньше толщины слоев резины в пневматических шинах, а нити тканой несущей оболочки пожарных рукавов не уступают по прочности нитям корда шин, в работе делается вывод о правомочности принятия такого же допущения, а именно, что вся нагрузка от гидравлического давления внутри пожарных рукавов воспринимается только нитями тканой несущей оболочки.

Так как прочность пожарного рукава в определяющей степени зависит от прочности тканой несущей оболочки, а прочность последней определяется в основном прочностью уточных нитей, то в настоящей диссертационной работе делается вывод о целесообразности анализа литературных источников о механике нити и о строении ткани, поскольку именно эти работы будут положены в основу разрабатываемой методики по расчету на прочность пожарных рукавов при гидравлическом воздействии.

Механике нитей (стержней) с конечными (ненулевыми) жесткостями на изгиб и кручение, а также механике идеально гибких нитей (нитей с нулевыми жесткостями на изгиб и кручение) посвящено значительное количество работ.

Основоположником отечественной школы механики текстильной нити является проф. А.П. Минаков, в работах которого заложены основы механики идеально гибких нитей.

Дальнейшее развитие науки о механике идеально гибких нитей и ее приложение к решению практических задач получили в работах В.С.

Щедрова, Х.А. Рахматулина, Н.И. Алексеева, Ю.В. Якубовского с соавторами и др.

Однако следует отметить, что при решении многих практических задач в текстильной промышленности не могут быть использованы положения механики идеально гибких нитей. Модель идеальной нити, например, будет неприемлема при сильном изгибе нитей, либо при их сильном кручении, которые имеют место при формировании ткацкого и трикотажного переплетений нитей, в тканях различных переплетений с повышенной плотностью нитей, при различных процессах ложной и действительной крутки нитей и в ряде других случаев.

Для решения перечисленных, а также многих других задач необходимо применять механику гибких нитей, то есть механику нитей с ненулевыми жесткостями на изгиб, кручение и растяжение.

Основы механики гибких стержней и нитей заложены в работах Л. Эйлера, Я. Бернулли, Ш. Кулона, Ж. Лагранжа, Б. Сен-Венана, Г. Кирхгофа, А. Клебша.

Значительный вклад в развитие теории гибких стержней и нитей внесли Е.Л. Николаи, А. Ляв, С.П. Тимошенко, Е.П. Попов, Г.Ю. Джанелидзе и ряд других авторов.

Заметный вклад в развитие теории механики текстильной нити и ткани внесен И.И. Мигушовым, в работах которого приведены теоретические основы нелинейной механики нити и ткани с учетом упруговязкопластических деформаций растяжения, изгиба и кручения, изложены прикладные расчеты натяжения, деформации, крутки и других параметров нитей и ткани в процессах различных производств текстильной промышленности, решен ряд практических задач по механике нити.

Сильному изгибу нитей в текстильных и других процессах посвящены работы В.А.Сухарева, Е.Д.Ефремова, В.С. Живова, Н.Н. Суслова и др.

Особо следует отметить работы В.А. Светлицкого, который внес значительный вклад в развитие механики гибких стержней и нитей. В его работах на основе векторного и тензорного исчислений изложены основные положения и методы механики гибких и абсолютно гибких стержней (нитей), уделено большое внимание статике, кинематике и динамике прямолинейных и пространственно-криволинейных стержней, помимо традиционных задач рассмотрены новые задачи по исследованию стационарных режимов движения гибких стержней и нитей, изложены методы численного решения задач с использованием компьютерных технологий, которым автор уделил много внимания.

Развитию теории строения ткани также посвящено большое количество работ различных авторов.

Основы отечественной науки о строении ткани были заложены профессором Н.Г. Новиковым. Последующее развитие теория строения и методы проектирования ткани получили в работах Ф.М. Розанова, В.И. Смирнова, О.С. Кутепова, Г.Б. Дамянова, Ц.З. Бачева, Н.Ф. Сурниной, Г.Л. Слостиной, А.А. Мартыновой, Н.А. Власовой и др.

Значительный вклад в развитие теории строения, разработку методов расчета и проектирования тканей внесен Э.А. Ониковым, В.П.

Склянниковым, К.Г. Алексеевым, С.В. Ломовым, П.Т. Букаевым, С.Д. Николаевым, С.С. Юхиным, Г.В. Степановым, Т.Ю. Каревой и другими исследователями.

В конце главы определена основная цель диссертационной работы, заключающаяся в разработке метода расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии на основе теории строения тканей полотняного переплетения. Здесь же сформулированы научные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

посвящена теоретическому исследованию Вторая глава взаимодействия основных и уточных нитей в тканой несущей оболочке (армирующем каркасе) напорного пожарного рукава.

Теоретическое исследование взаимодействия основных и уточных нитей в тканой несущей оболочке напорного пожарного рукава проводилось на основе нелинейной теории строения тканей полотняного переплетения при следующих допущениях применительно к нити и к материалу, из которого она состоит.

1. Нити принимались жесткими на растяжение и изгиб.

2. Материалы нитей считались однородными и изотропными, то есть физико-механические свойства нитей во всех точках и во всех направлениях принимались одинаковыми.

3. Считали, что геометрические объёмы нитей не имеют пустот и состоят из сплошного однородного вещества или их сплошь заполняют тонкие однородные волокна, то есть принималась гипотеза сплошности для нитей.

4. Принимали что, поперечные нормальные сечения нити, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации (гипотеза плоских сечений Бернулли), то есть сдвиги не учитывались.

5. Считали, что взаимные перемещения сечений нити при малых упругих деформациях в общем случае конечны, то есть задача является геометрически нелинейной, а физически линейной (перемещения точек осевой линии нити могут быть большими, но материал нити работает в пределах закона Гука).

Здесь же доказывались необходимость и обоснованность принятия каждого из этих допущений.

Во второй главе разработана расчетная модель и на ее основе получена математическая модель взаимодействия основных и уточных нитей в тканой несущей оболочке напорного пожарного рукава, позволяющая определить структурные, геометрические, силовые характеристики нитей основы и утка при известных гидравлическом давлении внутри пожарного рукава, натяжении основных нитей и других исходных параметрах. Данная математическая модель получена для наиболее общего случая, когда на перемещения точек осевой линии нитей не накладывалось каких-либо ограничений. Поэтому эта система уравнений может быть использована для прочностного расчета при гидравлическом воздействии любых тканых несущих оболочек напорных пожарных рукава, в том числе и сильно уплотненных как по утку, так и по основе. Показано, что полученная система не имеет аналитического решения. Наиболее эффективным методом ее решения является метод конечных разностей. Получен конечно-разностный аналог этой системы уравнений.

Здесь же из полученной математической модели взаимодействия основных и уточных нитей в тканой несущей оболочке напорного пожарного рукава при допущении о малости прогибов нитей при действии внутреннего гидравлического давления и при других обоснованных допущениях была выведена упрощенная математическая модель строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава, решение которой было выполнено приближенными методами, в результате чего выведена зависимость для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии, связывающая натяжение в уточной нити с давлением жидкости внутри пожарного рукава и другими параметрами pR L у (2Lo d o ) Lo 2 L2у (d oОВ d уУВ ) 2 d у, N O1 (1) 2 Lo где NO1 - натяжение в уточной нити;

p - внутреннее гидравлическое давление в пожарном рукаве;

R - радиус пожарного рукава;

Lo,Lу - геометрические плотности соответственно по основе и утку тканой несущей оболочки пожарного рукава;

d0, dy, ОВ,yВ - соответственно диаметры нитей основы и утка тканой несущей оболочки пожарного рукава и коэффициенты их вертикального смятия.

Из (1) следует условие прочности напорного пожарного рукава при действии внутреннего гидравлического давления:

pR Lу (2Lo d o ) Lo 2 L2 (d oОВ d уУВ ) 2 d у N разр N O1, (2) у 2 Lo где Nразр - натяжение в уточной нити при разрыве.

Если необходимо определить разрывное внутреннее гидравлическое давление p=pразр в пожарном рукаве по разрывной нагрузке NO1=Nразр в уточной нити, получим:

2 N разр Lo p разр. (3) 2 d о ) Lo 2 L ( d o ОВ d у ОВ ) d у R L у ( 2 Lо у Разрывное давление, определяемое по формуле (3), является одним из важнейших прочностных параметров напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии, регламентируемых ГОСТ Р 51049-97. Разрывное давление характеризует прочность пожарных рукавов, то есть их способность сопротивляться разрыву от действующего внутри пожарных рукавов гидравлического давления.

В третьей главе показано применение разработанных в предыдущей главе теоретических положений, в частности формулы (3) для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии.

На основе полученного соотношения (3) определены разрывные давления в латексированных напорных пожарных рукавах производства НПО «БЕРЕГ», рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа.

Важным критерием достоверности теоретических положений и соотношений для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии является сравнение теоретических результатов, полученных на основании этих теоретических положений и соотношений, с имеющимися экспериментальными данными.

В связи с этим было выполнено сравнение разрывных давлений в латексированных напорных пожарных рукавах производства НПО «БЕРЕГ», рассчитанных по формуле (3), с разрывными давлениями в тех же рукавах, полученными опытным путем в лаборатории Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны МЧС России.

Установлено почти точное совпадение расчетных и экспериментальных значений разрывных давлений для рукавов диаметром 150 мм, близкие значения для рукавов диаметром 89 мм (расхождение 3.14%) и относительно небольшое расхождение в значениях (менее 10%) для рукавов диаметрами 77 мм, 66 мм, 51 мм, что подтверждает достоверность теоретических положений и соотношения (3) для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии.

Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию влияния различных факторов на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии и разработке методики их рационального проектирования.

На основе полученного соотношения (3) для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии исследовано влияние таких факторов, как разрывное усилие уточных нитей., радиус рукава, геометрические плотности по основе и утку, диаметры нитей основы и утка, коэффициенты вертикального смятия нитей на разрывное давление в латексированных напорных пожарных рукавах производства НПО «БЕРЕГ», рассчитанных на рабочее давление жидкости 1,6 МПа.

Разрывное давление пожарного рукава прямо пропорционально разрывному усилию уточных нитей и обратно пропорционально радиусу пожарного рукава при постоянстве всех других его параметров. С увеличением (уменьшением) величины разрывного усилия уточных нитей разрывное давление (то есть, фактически, прочность пожарного рукава) существенно возрастает (падает) (см. рис. 1). С увеличением (уменьшением) радиуса пожарного рукава его разрывное давление уменьшается (возрастает), причем с уменьшением радиусов поперечных сечений пожарных рукавов крутизна характеристик возрастает (см. рис. 1).

Разрывное давление, МПа Разрывное усилие уточной нити, Н Рис. 1. Зависимость величины разрывного давления от разрывного усилия уточной нити несущей тканой оболочки напорных пожарных рукавов разных диаметров: 1 - для диаметра 150 мм;

2 - для диаметра мм;

3 - для диаметра 77 мм;

4 - для диаметра 66 мм;

5 - для диаметра 51мм На рис. 2, 3 представлены зависимости величин разрывных давлений от геометрических плотностей по основе и утку нитей несущей тканой оболочки латексированного напорного пожарного рукава диаметром 89 мм, рассчитанного на рабочее давление 1,6 МПа.

Анализ зависимостей показывает, что разрывное давление пожарного рукава существенно возрастает (падает) при уменьшении (увеличении) геометрических плотностей по основе и утку нитей несущей тканой оболочки.

В работе предложены объяснение и обоснование выявленной тенденции существенного увеличения разрывного давления пожарного рукава с уменьшением геометрических плотностей нитей его несущей тканой оболочки.

В диссертации делается вывод о том, что установленную тенденцию увеличения разрывного давления пожарного рукава, то есть повышение его прочностных характеристик при гидравлическом воздействии с уменьшением геометрических плотностей по основе и по утку нитей несущей тканой оболочки, важно учитывать при проектировании новых пожарных рукавов.

Разрывное давление, МПа Геометрическая плотность по основе, мм Рис. 2. Зависимость величины разрывного давления от геометрической плотности по основе несущей тканой оболочки напорного пожарного рукава диаметром 89 мм Разрывное давление, МПа Геометрическая плотность по утку, мм Рис. 3. Зависимость величины разрывного давления от геометрической плотности по утку несущей тканой оболочки напорного пожарного рукава диаметром 89 мм Уменьшение геометрических плотностей по основе и по утку нитей несущей тканой оболочки пожарного рукава (если есть для этого технологические возможности) представляется нам наиболее эффективным путем увеличения прочностных характеристик пожарного рукава при гидравлическом воздействии в отличие от непосредственного увеличения разрывных усилий уточных нитей, так как последнее связано при неизменности материала нитей (например, лавсан) с увеличением их диаметра, а следовательно, и с увеличением затрат на сырье при производстве пожарных рукавов. Более того, затраты на сырье при производстве пожарных рукавов могут быть сокращены, если изготавливать из нитей меньшего диаметра более плотные по основе и по утку ткани несущих оболочек пожарных рукавов при неизменности их прочностных характеристик при гидравлическом воздействии, что, на наш взгляд, технологически возможно. Теоретическое обоснование этого и необходимые расчеты могут быть выполнены по формуле (3).

В работе установлено, что разрывное давление пожарного рукава несущественно возрастает с увеличением диаметров нитей основы и утка ткани его несущей оболочки (см. рис. 4, 5).

давление, МПа Разрывное Диаметр основных нитей, мм Рис. 4. Зависимость величины разрывного давления от диаметра основных нитей несущей тканой оболочки напорного пожарного рукава диаметром 89 мм давление, МПа Разрывное Диаметр уточных нитей, мм Рис. 5. Зависимость величины разрывного давления от диаметра уточных нитей несущей тканой оболочки напорного пожарного рукава диаметром 89 мм Та же тенденция возрастания, хотя и более существенного, разрывного давления пожарного рукава наблюдается и с увеличением вертикального смятия нитей ткани его несущей оболочки (см. рис. 6).

Разрывное давление, МПа Коэффициент вертикального смятия Рис. 6. Зависимость величины разрывного давления от коэффициента вертикального смятия нитей несущей тканой оболочки напорного пожарного рукава диаметром 89 мм В диссертации отмечается, что для производства более легких по весу, более стойких к абразивному износу и к контактному прожигу рукавов, а следовательно, и более долговечных, перспективным может оказаться направление использования других нитей, превосходящих по своим характеристикам лавсановые нити, например, таких, как огнестойкие и высокопрочные фенилоновые и сверхвысокомодульные (СВМ) нити.

Также требует изучения вопрос об использовании для изготовления тканых каркасов напорных пожарных рукавов нитей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), обладающих высокими механическими характеристиками, легким весом, атмосферо- и водостойкостью, очень высокой химической стойкостью, морозостойкостью, высокой светостойкостью и высокой стойкостью к абразивному износу, если удастся решить проблему повышения их термостойкости.

Здесь же приводится разработанная методика рационального проектирования напорных пожарных рукавов с заданными характеристиками прочности, позволяющая выполнить важный этап изготовления новых напорных пожарных рукавов, а именно – произвести прочностной расчет и подобрать рациональные параметры тканой несущей оболочки (тканого каркаса) пожарного рукава.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Анализ литературных источников по гидравлическому расчету напорных пожарных рукавов показал, что в основном они сводятся к расчету потерь напора, а излагаемые в единственном литературном источнике методика и соотношения для расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии имеют ряд существенных недостатков.

2. Структура тканей несущих оболочек пожарных рукавов делает неприемлемым использование наработок по теории расчета сетчатых оболочек, в которых нити расположены по геодезическим линиям поверхности оболочки.

3. Анализ тканей несущих оболочек (армирующих каркасов) как непрорезиненных, так и прорезиненных, латексированных напорных пожарных рукавов показал, что все они представляют собой однослойные ткани, которые могут быть отнесены к тканям полотняного переплетения. По окружности пожарного рукава располагаются уточные нити, которые взаимно переплетены с основными нитями, проложенными по длине пожарного рукава. При этом прочность тканой несущей оболочки определяется в основном прочностью уточных нитей.

4. На основе нелинейной теории изгиба гибких нитей получена математическая модель взаимодействия основных и уточных нитей в тканой несущей оболочке напорного пожарного рукава, позволяющая определить структурные, геометрические, силовые характеристики нитей основы и утка при известных гидравлическом давлении внутри пожарного рукава, натяжении основных нитей и других исходных параметрах. Показано, что аналитическое решение полученной нелинейной математической модели практически невозможно, а наиболее удобным методом ее численного решения является метод конечных разностей.

5. Получен конечно-разностный аналог математической модели, на основе которого могут быть рассчитаны параметры строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава, а также оценена его прочность при гидравлическом воздействии.

6. Получена упрощенная математическая модель строения ткани несущей оболочки напорного пожарного рукава, решение которой было выполнено приближенными методами, в результате чего выведена зависимость для расчета на прочность пожарного рукава при гидравлическом воздействии.

7. На основе полученного соотношения для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии определены разрывные давления в латексированных напорных пожарных рукавах производства НПО «БЕРЕГ», рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа.

8. Достоверность теоретических положений и соотношений для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии подтверждена сравнением расчетных и существующих экспериментальных данных.

9. На основе полученного соотношения для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии исследовано влияние таких факторов как разрывное усилие уточных нитей., радиус рукава, геометрические плотности по основе и по утку, диаметры нитей основы и утка, коэффициенты вертикального смятия нитей на разрывное давление в латексированных напорных пожарных рукавах производства НПО «БЕРЕГ», рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа.

10. Разрывное давление пожарного рукава прямо пропорционально разрывному усилию уточных нитей и обратно пропорционально радиусу пожарного рукава при постоянстве всех других его параметров. С увеличением (уменьшением) величины разрывного усилия уточных нитей разрывное давление (то есть, фактически, прочность пожарного рукава) существенно возрастает (падает). С увеличением (уменьшением) радиуса пожарного рукава его разрывное давление уменьшается (возрастает), причем с уменьшением радиусов поперечных сечений пожарных рукавов крутизна характеристик возрастает.

11. Геометрические плотности по основе и по утку тканой несущей оболочки пожарного рукава наряду с разрывным усилием уточной нити оказывают наиболее сильное влияние на величину его разрывного давления, то есть на его прочностные характеристики при гидравлическом воздействии.

12. Разрывное давление пожарного рукава несущественно возрастает с увеличением диаметров нитей основы и утка ткани его несущей оболочки.

13. С увеличением вертикального смятия нитей ткани несущей оболочки пожарного рукава разрывное давление возрастает.

14. Для производства более легких по весу, более стойких к абразивному износу и к контактному прожигу рукавов, а следовательно, и более долговечных, необходимо использование других нитей, превосходящих по своим характеристикам лавсановые нити, например, таких, как нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), огнестойкие и высокопрочные фенилоновые и сверхвысокомодульные (СВМ) нити.

15. Разработана методика рационального проектирования напорных пожарных рукавов с заданными характеристиками прочности, позволяющая выполнить важный этап создания новых напорных пожарных рукавов, а именно – произвести прочностной расчет и подобрать рациональные параметры тканой несущей оболочки (тканого каркаса) пожарного рукава.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов кандидатской диссертации 1. Грачев, В.Н. Некоторые геометрические соотношения теории строения ткани [Текст]/ В.Н. Грачев, О.С. Степанов // Изв. вузов. Технология текст. пром-сти. – 2009. – № 6. – С. 61 – 64 (0,25 п.л./авторских – 0,15).

2. Степанов, О.С. Ткань из высокомодульных технических нитей [Текст]/ О.С. Степанов, Н.К. Романычев, А.В. Моторин // Изв. вузов.

Технология текст. пром-сти. – 2009. – № 3. – С. 41 – 45 (0, п.л./авторских – 0,1).

3. Моторин, Л.В. Математическая модель для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии [Текст]/ Л.В. Моторин, О. С. Степанов, Е.В. Братолюбова // Изв. вузов.

Технология текст. пром-сти. – 2010. – №8 – С. 103 –109 (0, п.л./авторских 0,3).

4. Моторин, Л.В. Упрощенная математическая модель для прочностного расчета напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии [Текст]/ Л.В. Моторин, О. С. Степанов, Е.В. Братолюбова // Изв. вузов.

Технология текст. пром-сти. –2011. – №.1– С. 126 – 133 (0, п.л./авторских 0,3).

Материалы научных конференций и тезисы докладов 5. Степанов, О.С. Расчет тканей на прочность [Текст]/ Н.Н. Соколов, Н.Л.

Мамлин, О.С. Степанов // Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности: сб-к матер. Межвузовской научн.-техн.

конф. асп. и студ. (Поиск – 2006)/ ИГТА. – Иваново, 2006.- ч. I. - С.84 – 85 (0,3 п.л./авторских – 0,2).

6. Степанов,О.С. Математическая модель для расчета на прочность напорных пожарных рукавов при гидравлическом воздействии [Текст]/ О.С. Степанов // Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль – 2011): сб-к матер. Международной научн.-техн. конференции./ МГТУ им. А.Н. Косыгина. – М., 2011. – С.

110 (0,06 п.л.).

7. Степанов, О.С. Анализ влияния некоторых параметров на разрывное внутреннее гидравлическое давление в напорных пожарных рукавах [Текст]/ О.С. Степанов // Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности: сб-к матер. Межвузовской научн.-техн.

конф. асп. и студ. (Поиск – 2012)/ ИГТА. – Иваново, 2012.- ч. I. – С. (0,06 п.л.).

8. Степанов, О.С. Исследование влияния ряда параметров на разрывное внутреннее гидравлическое давление в напорных пожарных рукавах [Текст]/ О.С.Степанов, Г.И. Чистобородов, Е.В. Братолюбова // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс – 2012): сб-к матер.

Международной научн.-техн. конф. / ИГТА. – Иваново, 2012. – С. (0,06 п.л./авторских – 0,03).

Степанов Олег Сергеевич ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ТКАНИ ДЛЯ ПРОЧНОСТНОГО РАСЧЕТА НАПОРНЫХ ПОЖАРНЫХ РУКАВОВ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 25.05.2012 Формат 1/16 60х Усл.-печ. 1,1. Уч.-изд.л. 1, Тираж 80 экз. Заказ № Копировально-множительное бюро Ивановской государственной текстильной академии 153000, г.Иваново, пр.Ф.Энгельса,