Verständnis der Ringspannung bei der Konstruktion von Mikrobohrungsschläuchen

Von Josh Cosford, Mitherausgeber

Reifenspannung ist ein grundlegendes Konzept in der Fluidtechnik, wird jedoch oft übersehen. Sie stellt die Umfangsspannung dar, die auf ein Rohr, einen Zylinder oder eine kreisförmige Wand ausgeübt wird, wenn der Innendruck nach außen drückt. Denken Sie an die Stahlreifen, die ein Weinfass verstärken – ähnliche Prinzipien gelten für Mikrobohrungsschläuche aus Kunststoff, die bemerkenswert hohen Drücken standhalten können.

Die Umfangsspannung skaliert nicht linear mit dem Durchmesser und ist umgekehrt proportional zur Wandstärke, ausgedrückt durch die Gleichung:
σ =(P × D) / (2 × t)
Dabei ist σ die Spannung, P der Innendruck, D der Innendurchmesser und t die Wandstärke.

Auch wenn die Rechnung einschüchternd sein kann, ist die wichtigste Erkenntnis, dass eine Verdoppelung der Wandstärke den gleichen Effekt hat wie eine Halbierung des Innendurchmessers. Diese Beziehung gilt für Rohre, Rohre und Schläuche, jedoch nicht für Druckbehälter, für die andere Gleichungen gelten.

Betrachten Sie einen PTFE-Mikrobohrungsschlauch mit einer Nennleistung von 5.000 psi. Er könnte einen Innendurchmesser von 1/8 Zoll (0,125 Zoll) und eine Wandstärke von nur 0,060 Zoll haben. Um den Durchmesser auf 1/4 Zoll zu verdoppeln, muss sich auch die Wand auf 0,120 Zoll verdoppeln. Für einen Schlauch mit 1/2 Zoll Durchmesser ist eine Wandstärke von 0,240 Zoll erforderlich.

Diese Zahlen veranschaulichen, warum die Herstellung von Hochdruckschläuchen oder -zylindern mit großem Durchmesser unpraktisch ist. Ein PTFE-Hydraulikschlauch mit einem Innendurchmesser von 12 Zoll würde fast 6 Zoll Wandmaterial erfordern, was zu einem Außendurchmesser von annähernd 24 Zoll führen würde – ein klares Beispiel für die Einschränkungen, die durch die Ringspannung entstehen.

Warum ist die Wandstärke wichtig? Es handelt sich um einen Flächeneffekt. Stellen Sie sich einen radialen Ring mit einem Innendurchmesser von 2 Zoll und einer Breite von 1 Zoll vor. Seine innere Oberfläche beträgt Umfang × Breite oder 6,28 Zoll². Bei 3.000 psi übt der Innendruck eine nach außen gerichtete Kraft von 18.840 Pfund auf diese Oberfläche aus.

Durch Verdoppelung des Durchmessers auf 4 Zoll verdoppelt sich der Umfang, sodass die nach außen wirkende Kraft auf etwa 37.699 Pfund steigt. Um einen Nenndruck von 5.000 psi bei gleicher Wandstärke aufrechtzuerhalten, bräuchte das Rohr eine etwa 2 Zoll dicke Wand, um der Kraft von 63.000 Pfund entgegenzuwirken.

In der Praxis bauen wir keine 5.000 psi PTFE-Zylinder; die erforderliche Wand wäre unpraktisch. Bei Higginson verwenden wir ein geschliffenes Stahlrohr mit ¼ Zoll Wandstärke für einen Hydraulikzylinder mit 4 Zoll Bohrung und einem Nenndruck von 3.000 psi mit einem Sicherheitsfaktor von 4:1.

In ähnlicher Weise würde ein Zylinder mit einer Bohrung von 8 Zoll eine Wand von ½ Zoll benötigen, um 3.000 psi zu bewältigen, und ein Zylinder mit einer Bohrung von 16 Zoll könnte eine Wand von 1 Zoll benötigen. Diese Beispiele bestätigen, dass Reifenspannungsberechnungen in den meisten Fällen als Grundlage für Material- und Wandstärkenentscheidungen dienen.

Wenn Sie das nächste Mal einen Microbore-Schlauch testen, denken Sie daran, dass die nach außen gerichteten Kräfte erheblich sind, auch wenn der Schlauchdurchmesser klein ist. Wenn Sie die Reifenspannung verstehen, können Sie Ihre Konstruktion sicher und effizient gestalten.

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