محمد ریاحی – دانشیار دانشگاه علم و صنعت ایران

سعید خدامی – کارشناس مهندسی مکانیک

علیرضا نعیمی – کارشناس مهندسی مکانیک

محمد فرجی قناتی – دانشجوی دکتری

مقاله طراحی تحلیل نمونه سازی و تست نسل جدید کپ لوله های پلی اتیلن در دهمین همایش انجمن هوافضای ایران در سال 1389 ارائه شده است.
چکیده : طراحی کپ‌های فشارقوی برای لوله های پلی اتیلن بصورتی که براحتی نصب شده و از کار برداشته شوند موضوع این مقاله می‌باشد از آنجا که کپ‌های تولیدی بصورت عمودی و با فشار نسبتا بالا سر لوله بسته میشوند نسبت به تغییر طراحی و سازوکار نحوه‌ی جازنی کپ و بهبود کارایی آن تحقیقاتی صورت گرفت روش کار در طراحی جدید استفاده از نیروی سیال تحت فشار جهت آب‌بندی بهتر و نیز بهره‌گیری از قوانین فیزیکی سطوح شیب‌دار و مخروطی نسبت به یکدیگر بوده است در طراحی حاضر که جدیدترین و کاراترین طراحی در نوع خود در جهان محسوب می‌شود با استفاده از دو بدنه‌ی مخروطی نسبت به یکدیگر که درهم رزوه شده‌اند یک گیرهی متشکل از 4 قطعه یک آب‌بند دوطرفه از جنس پلی اورتان و یک اورینگ فشار قوی به نحوی آب‌بندی انجام شده است که تا چند برابر فشار کاری استاندارد لوله‌ها که در استاندارهای بین المللی تنظیم شده است قابلیت آببندی خود را حفظ کرده و از لوله نیز خارج نمی‌شوند نتایج طراحی این سامانه ی آب‌بند جدید ساخته شد و درتست‌های انجام شده نیز استانداردهای لازم را با موفقیت پشت سرگذاشت. از این کپ‌ا هرجایی که نیاز به انسداد لوله‌های پلی اتیلن در فشار بالا باشد ( مانند صنایع هواپی و فضایی ) می‌توان بهره برد. این طرح علاوه بر خصوصیات منحصر بفردش در نصب سریع و راحت , نسبت به نمونه‌های سنتی موجود در سراسر دنیا توجیه اقتصادی نیز دارد.

کپ، لوله پلی اتیلن، HDPE- End cap , لوله پلی اتیلن

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
با ورود پلیمرها به صنعت لوله و عمومیت یافتن استفاده از لوله‌های پلی اتیلن نیاز به توسعه علمی و تجربی این عرصه به شدت احساس می‌شد.این لوله‌ها به خاطر عمر بالا, عدم خوردگی , وزن بسیار پائین نسبت به لوله‌های فولادی, نصب واجرای آسان, انعطاف پذیری خوب و قابلیت ساخت در طولهای بزرگ در صنایع مختلفی چون پتروشیمی, آب و فاضلاب, صنایع شیمیایی, ساختمان , دریایی و غیره به سرعت جایگزین لوله‌های فولادی و چدنی شد.در صنایع هوا فضا نیز استفاده از این سامانه لوله‌کشی سیال به خاطر مزایای گفته شده بسیار موثز بوده است.کپ‌های فشار قوی موجود در جهان عمدتا به صورت عمودی و با فشار بالا و حتی گاها با استفاده از دستگاه تولید فشار هیدرولیکی به نام کپ جازن, سر لوله نصب می‌شودتا در موقع تزریق سیال در فشار بالا مقاومت لازم را داشته باشند.این کار هم باعث اتلاف وقت زیادی می‌شود هم هزینه ‌های نگه‌داری کپ و لوله را بالا می‌برد و هم خطر رها شدن کپ از سر لوله را به همراه دارد . به این دلیل قوانین و مقرراتی برای جاگذاری این لوله‌ها و نیز نحوه‌ی انجام مسایل ایمنی در این لوله‌ها اجرا می‌شود.

طراحی و تحلیل کپ

مدل‌سازی در نرم‌افزار Solid Works انجام گرفت سپس تحلیلهای سازه‌ای در نرم‌افزار Ansys صورت گرفت. المانهای به کار رفته برای تحلیل SOLID و QUAD 4NODE 185 میباشد. نیروهای وارده بر مدل نیز نیروی فشار هیدرواستاتیکی داخل کپ می‌باشد. در این مدلسازی, سازه از نظر استحکام مورد مطالعه قرار گرفت. بررسی میزان فشار وارد بر سیل‌های داخل کپ با توجه به میزان کرنشها و تغییر مکانهایی که در سازه اتفاق می‌افتد و استانداردهای موجود در زمینه آب‌بندی این امکان را فراهم کرد که عدم آب بندی کپ بتواند قبل از ساخت در نرم‌آفزار مورد تحلیل قرار گیرد. نتایج بدست آمده از این تحلیل و نیز نتایج تست نمونه‌‌ی اولیه باعث بهینه سازی و تغییر جزئی در اجزای طرح نموده است که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد.

نمونه‌های موجود کپ

به کمک تحقیق میدانی صورت گرفته مشخص شد, که تنها سه یا چهار ایده اصلی در زمینه طراحی اینگونه کپ‌ها وجود دارد. در بین این ایده‌ها نیز تنها یکی از آنها توسط متخصصین داخلی اجرا شده است. که آن نیز دارای نواقص زیادی است و استفاده از آن برای مصرف کنندگان و تولیدکنندگان لوله‌های پلی اتیلن مشکلات فراوانی را ایجاد کرده است. کپ مورد نظر از سه قسمت اصلی تشکیل شده است که شامل یک سرپوش اصلی و دو گیره شیاردار می‌باشد.
مشکل اصلی این مدل ا زکپ‌ها نحوه‌ی نصب آنها می‌باشد. قطعات مختلفی که در این کپ‌ها وجود دارد نصب آنها را پیچیده کرده است و معمولا  اپراتورها هنگام نصب با مشکلات فراوانی از جمله انتخاب اورینگ مناسب برای محکم شدن کلاهک وب رش و چسباندن این اورینگ دور دهانه‌ی کپ , روبرو می‌شوند. در زمان تست در یک مورد مشاهده گردید که حتی پس از بسته شدن  کپ, به دلیل برآمدگی بوجود آمده در محل چسب‌کاری اورینگ , کپ مذکور شروع به نشت جزئی آب نمود.

شمای ساده از طرح کپ‌های موجود در بازار

مشکل دیگر این کپ‌ها جا زدن کلاهک آنهاست به طوری که در سایزهای بزرگ حتما باید از دستگاه‌های جداگانه کپ جازن‌های هیدرولیکی و پنوماتیکی استفاده شود که مستلزم صرف هزینه و وقت بیشتری است. این نکات و همچنین نکات دیگر از جمله مواردی است که در طراحی کپ جدید مورد توجه قرار گرفته است.

طراحی اصلی کپ

در کپ طراحی شده و مورد نظر این مقاله , در زمینه‌ی اندازه ‌ی نمونه‌ی استاندارد , از استاندارد بین المللی رواداری‌های قطر خارجی و ضخامت جداره‌های لوله پلی اتیلن استفاده شده است. با توجه به نمونه‌های  خارجی و کپ‌های موجود در بازار, برای رفع نواقص بیان شده تصمیم بر استفاده از قوانین حاکم بر حرکت سطوح شیب‌دار روی یکدیگر شد. و پس از طراحی 2 نمونه‌ی مقدماتی نهایتا به طرح اصلی رسید که در واقع کپ مخروتی از بیرون می‌باشد.
در این نوع کپ عمل آب‌بندی و مهار لوله همزمان با هم و در حین نصب کپ به بهترین شکل انجام می‌پذیرد. که با استفاده از تبدیل نیروی طولی به نیروی شعاعی عمل جازنی را بسیار راحت کرده است. به این معنی که گیره‌های این کپ به صورت تکه‌هایی از یک مخروط ساخته شده و هنگامی که روی سطوح داخلی مخروط دیگری حرکت می‌کند با نزدیک‌شدن  تکه‌های مخروطی به هم نیروی زیادی را در جهت شعاعی ایجاد می‌کند که باعث مهار لوله می‌شود.
این کپ از چهار قسمت مختلف تشکیل شده است که عبارتند از بدنه خارجی , بدنه داخلی ,گیره چهار تکه و اورینگ دوطرفه. دو برنه داخلی و خارجی وظیفه نگهداری و وارد کردن نیرو به قطعات را بر عهده دارند.همانطور که ذکر گردید گیره چهار تکه نیز لوله را مهار میکند تا در اثر افزایش فشار از کپ جدا نشود. یک اورینگ دو طرفه از جنس پلی اورتان دو طرفه از جنس پلی اورتان نیز آب‌بندی لوله و کپ را انجام می‌دهند.
یکی از قسمت‌های مهم این پروژه محاسبه اندازه‌ها, زاویه‌ها و تلرانس‌های قطعات بوده است. چرا قطعات باید طوری طراحی شوند که گیره‌ها و اورینگ همزمان تحت فشار قرار گیرند که بتوانند وظیفه خود را انجام دهند. اگر یکی از آنها زودتر تحت فشار قرار گیرد قطعه دیگر شل شده و کارآیی خود را از دست خواهد داد.

نحوه نصب کپ

نحوه نصب این کپ‌ به این صورت است که قبل از انجام تست , در صورتی که برای اولین تست شود. البته لازم به تذکر است که احتیاجی  نیست این کار برای هر تست تکرار شود بلکه در صورت اسمبل کردن قطعه بارها میتوان از آن در تست‌های گوناگون استفاده کرد.( این نکته یکی از مزیتهای این کپ نسبت به نمونه‌های در بازار است.
بعد از اسمبل کردن قطعه قبل از اینکه بدنه داخلی را درون بدنه خارجی محکم کنیم باید لوله را از سمت دریچه وارد کپ کنیم. بعد از اینکه از صحت قرار گرفتن لوله درون کپ اطمینان حاصل کردیم باید با پیچاندن بدنه داخلی درون بدنه خارجی آنها را محکم کنیم. با این کار چهار تکه گیره با حرکت روی سطح مخروطی بدنه‌ها به یکدیگر نزدیک شده و لوله را اصطلاحا گاز میگیرند.همزمان با این عمل آب‌بند دوطرفه نیز در اثر تحت فشار قرار گرفتن جمع شده و لوله را به خوبی آب‌بندی میکند.

شمای ساده از کپ طراحی و ساخته شده

ویژگی دیگر این کپ راحتی و سرعت در نصب می‌باشد.بدین صورت که قطر دریچه ورودی 3 میلیمتر با قطر لوله اختلاف دارد پس به راحتی لوله داخل آن می‌رود.

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید