Понимание кольцевого напряжения при проектировании шлангов с микрокапиллярными отверстиями

Джош Косфорд, ответственный редактор

Обручальное напряжение является фундаментальной концепцией в гидроэнергетике, однако ее часто упускают из виду. Оно представляет собой окружное напряжение, оказываемое на трубку, цилиндр или круглую стенку, когда внутреннее давление выталкивается наружу. Подумайте о стальных обручах, которые укрепляют винную бочку:аналогичные принципы применимы и к пластиковым шлангам с микрокапилляром, которые могут выдерживать чрезвычайно высокое давление.

Окружное напряжение не зависит линейно от диаметра и обратно пропорционально толщине стенки, что выражается уравнением:
σ =(P × D) / (2 × t)
где σ — напряжение, P — внутреннее давление, D — внутренний диаметр, а t — толщина стенки.

Хотя математика может показаться пугающей, основной вывод заключается в том, что увеличение толщины стенок в два раза дает тот же эффект, что и уменьшение внутреннего диаметра вдвое. Это соотношение справедливо для трубок, трубок и шлангов, но не для сосудов под давлением, подчиняющихся другим уравнениям.

Рассмотрим шланг с микроотверстием из ПТФЭ, рассчитанный на давление 5000 фунтов на квадратный дюйм. Его внутренний диаметр может составлять 1/8 дюйма (0,125 дюйма), а толщина стенки — всего 0,060 дюйма. Чтобы удвоить диаметр до 1/4 дюйма, стенка также должна удвоиться до 0,120 дюйма. Для шланга диаметром 1/2 дюйма требуется толщина стенки 0,240 дюйма.

Эти цифры иллюстрируют, почему производство шлангов или баллонов большого диаметра высокого давления становится непрактичным. Гидравлический шланг из ПТФЭ с внутренним диаметром 12 дюймов потребует около 6 дюймов материала стенки, в результате чего внешний диаметр будет приближаться к 24 дюймам — яркий пример ограничений, налагаемых окружным напряжением.

Почему толщина стен имеет значение? Это эффект площади поверхности. Визуализируйте радиальное кольцо с внутренним диаметром 2 дюйма и шириной 1 дюйм. Площадь его внутренней поверхности равна длине окружности × ширине, или 6,28 дюйма². При давлении 3000 фунтов на квадратный дюйм внутреннее давление оказывает на эту поверхность внешнюю силу в 18 840 фунтов.

Удвоение диаметра до 4 дюймов удваивает окружность, поэтому наружная сила возрастает примерно до 37 699 фунтов. Чтобы поддерживать номинальное давление 5 000 фунтов на квадратный дюйм при той же толщине стенки, трубе потребуется стенка толщиной примерно 2 дюйма, чтобы противостоять силе в 63 000 фунтов.

На практике мы не производим баллоны из ПТФЭ с давлением 5000 фунтов на квадратный дюйм; требуемая стена была бы непрактичной. В компании Higginson мы используем стальную трубу с хонингованной стенкой диаметром ¼ дюйма для гидравлического цилиндра диаметром 4 дюйма, рассчитанного на давление 3000 фунтов на квадратный дюйм и коэффициент запаса прочности 4:1.

Аналогичным образом, для цилиндра диаметром 8 дюймов потребуется стенка толщиной ½ дюйма, чтобы выдерживать давление 3000 фунтов на квадратный дюйм, а для цилиндра диаметром 16 дюймов может использоваться стенка толщиной 1 дюйм. Эти примеры подтверждают, что в большинстве случаев расчеты окружного напряжения определяют выбор материала и толщины стенки.

В следующий раз, когда вы будете испытывать шланг с микроотверстием, помните, что внешние силы значительны, даже если диаметр шланга небольшой. Понимание окружного напряжения гарантирует безопасность и эффективность проектирования.

Вам также может понравиться: