книги из ГПНТБ / Козобков, А. А. Электрическое моделирование вибраций трубопроводов

А. А. КОЗОБКОВ, А. И. КОППЕЛЬ, А. С. МЕССЕРМАН

Э Л Е К Т Р И Ч Е С К О Е МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ

Т Р У Б О П Р О В О Д О В

Москва

«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »

19 7 4

ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс в машиностроении, совершенствование машин и оборудования, значительное их усложнение, увеличе­ ние энергонапряженности силовых установок повышают требо­ вания к их надежности. Возникает необходимость проведения всестороннего анализа конструктивных элементов, уточнения расчетных схем и совершенствования методов проектирования. Обеспечение высокой надежности машин является одной из важнейших задач механики.

Наиболее общим критерием, характеризующим комплекс причин, приводящих к снижению надежности системы, является

\«степень ее неопределенности». Этот критерий отражает уро­ вень нашего познания ряда процессов, протекающих в системе, несовершенство методов расчета, недостаточную точность мате­ матического описания процесса и т. д.

Одним из самых серьезных факторов увеличения неопреде­ ленности систем является вибрация. Ее следствием может быть увеличение действующих напряжений из-за приближения к резо­ нансу, изменение различных параметров системы, приводящее к снижению ее работоспособности. Все это увеличивает неопре­ деленность состояния системы и уменьшает ее надежность.

Проблема повышения вибрационной прочности, а следова­ тельно, и функциональной надежности различных систем и устройств актуальна для большинства отраслей народного хо­ зяйства и Особенно для современной авиации и космонавтики.

Проблема вибрации в летательных аппаратах не нова. Еще в тридцатые годы нашего века, когда скорость самолетов пре­ высила 300 км/ч, возникла проблема «флаттера»—самовозбуж- дающихся колебаний крыла и оперения.

В современных летательных аппаратах широко используются

•механические и автоматические средства управления, осущест­ вляемые при помощи гидравлических и воздушных систем, агре­ гатов и устройств. Они обеспечивают работу большого числа различных механизмов и устройств: подъем и выпуск шасси, уп­ равление тормозами, запуск двигателей, управление двигателями и воздушными винтами, управление различными щитками, створ­ ками, люками, механизмами в системах вооружения и в системах

заправки самолетов топливом и т. д. Мощность, потребляемая гидравлическими и воздушными системами современных транс­ портных самолетов достигает 1000 л. с.

Приведем некоторые данные по самолету В-70 («Валькирия» США). На этом самолете предусмотрены [2] «... четыре авто­ номные гидравлические системы, в каждой из которых имеется по три насоса, рассчитанных на работу при давлении 280 кгс/см2 (~ 28 МН/м2) и при температуре жидкости от —54 до +230° С. В гидравлической системе насчитывается 85 гидравлических двигателей (силовых цилиндров) прямолинейного поступатель­ но-возвратного и 44—вращательного движения; 120 клапанов с электромагнитным приводом и 50 клапанов с механическим при­ водом. Протяженность трубопроводов составляет 1600 м. Ем­ кость баков в гидравлических системах составляет 800 л. Кроме того, самолет имеет несколько воздушных систем с пятью ком­ прессорами и набором вспомогательного оборудования. Длина трубопроводов воздушных систем достигает 600 м».

Гидравлические и воздушные системы являются важным эле­ ментом многочисленных и разнообразных устройств. От их на­ дежности во многом зависит надежность летательных аппаратов.

Характерной чертой современных летательных аппаратов является многократное дублирование их жизненно важных си­ стем, повышающее надежность. Самолет ДС-10, например, имеет три, а самолет «Трансшар» четыре независимые гидравлические системы [11].

Однако во всех этих системах и вспомогательных устройст­ вах возникают вибрации, уменьшение которых совершенно не­ обходимо для обеспечения надежности конструкции. Так, напри­ мер, в работе [15], посвященной надежности гидравлических си­ стем, отмечено, что большинство отказов гидравлических и воздушных систем летательных аппаратов связано с усталостным разрушением трубопроводов вследствие возникшей в них виб­ рации.

Трубопровод как механическая колебательная система пред­ ставляет собой упругую пространственную конструкцию, состоя­ щую из элементов различной жесткости: прямолинейных и кри­ волинейных участков труб, арматуры и средств крепления самих трубопроводов. Трубопроводы соединяют объекты, расположен­ ные на расстоянии десятков, а иногда и сотен метров друг от друга. Однако такую систему можно рассматривать как состоя­ щую из отдельных участков, так как в ней всегда можно найти элементы, жесткость которых по сравнению с жесткостью трубопровода бесконечно велика и которые делят систему на самостоятельные участки, динамически изолированные друг от друга.

Участки трубопроводных систем, заключенные между такими жесткими элементами, с точки зрения их колебаний могут быть

•'4

меры, приводимые в работе [2]. Измерение давления в тру­ бопроводе за пятицилиндровым плунжерным насосом (флюгерпомпа), установленным на самолете и работающим с частотой

32 кгс/см2 (~3,2 МН/м2). Таким образом, размах колебаний давления оказался равным 10 кгс/см2 (~ 1 МН/м2) или более 60% от статического давления. Эти колебания давления вызвали вибрацию трубопровода, его разрушение, в результате чего воз­ ник пожар — загорелась двигательная установка.

На другом типе самолета гидравлическая система была вы­ полнена так, что два насоса, расположенные на двух соседних двигателях, нагнетали жидкость в одну гидравлическую систему. В трубопроводных нагнетательных магистралях на участке от насосов до фильтров создавались большие колебания давления (до 20 кгс/см2) (~ 2 МН/м2) и, как следствие этого, возникали большие циклические напряжения в материале труб (Оа= = ±15-Ю 4 кгс/см2 ( ~ 15-103 МН/м2), которые привели к разру­ шению трубопровода.

В работе [6] на основе наземных и летных испытаний гидрав­ лических и воздушных систем самолетов составлена сводная таб­ лица, в которой указаны источники возможных пульсаций дав­ ления жидкости и газа.

6

В следующей таблице приведен перечень некоторых возмож­ ных источников вибрации трубопроводов. Этими источниками являются механические колебания различных элементов конст­ рукции самолета, к которым крепятся трубопроводы.

Вибрации подвержены не только бортовые трубопроводные системы. Как известно, современные гражданские аэропорты оборудованы централизованной системой заправки самолетов. Такие системы обеспечивают подачу практически неограничен­ ного количества топлива к местам стоянок самолетов. При этом сокращается парк автозаправщиков и не загромождаются места стоянок.

Эксплуатационные режимы системы централизованной за­ правки самолетов отличаются резким изменением расхода, осо­ бенно в часы пиковых нагрузок. Возникающие при этом гидрав­ лические удары могут привести не только к вибрации трубопро­ водов и их аварии, но и к повреждению топливных систем самолетов, заправляющихся одновременно с самолетами, закон­ чившими заправку [8].

земных машинах, на морских судах, в нефтяной, газовой й хими­ ческой промышленности. По трубопроводам транспортируется жидкость и газ для силовых приводов различных машин и меха­ низмов, а также технологические жидкости и газы, поступающие в переработку. Эти трубопроводные системы также представ­ ляют собой сложные пространственные конструкции с большим количеством различных элементов трубопроводной и запорной арматуры, различными технологическими аппаратами и исполни­ тельными механизмами. Пульсирующие потоки в этих системах вызывают интенсивные вибрации, приводящие к разрушению трубопроводов, что может явиться причиной тяжелых аварий.

7

Опыт эксплуатации трубопроводных, гидравлических, газо­ вых и воздушных систем летательных аппаратов, машин и раз­ личных устройств показывает, что наибольший процент всех встречающихся разрушений трубопроводов составляют уста­ лостные разрушения, происходящие под действием вибраций [3]. В связи с этим борьба с вибрациями трубопроводов приобрета­ ет важное народнохозяйственное значение.

Динамические режимы по своей природе сложнее статиче­ ских, так как они характеризуются не только величиной усилия, точкой его приложения и направлением, но законом его измене­ ния во времени. Естественно, что расчет динамики трубопровод­ ных систем оказывается более сложным. Основной целью такого расчета является определение параметров системы, амплитуда вибрации которой не превышала бы допустимую величину.

Трудность задач, связанных с проектированием трубопровод­ ных систем, испытывающих воздействие пульсирующего потока, обусловлена тем, что теоретические основы их решения бази­ руются на выводах комплекса закономерностей из различных областей науки.

При проектировании в большинстве случаев удается добиться создания трубопроводной системы с допустимым уровнем виб­ рации. Однако при этом на отдельных элементах трубопровод­ ной системы уровень вибрации может достичь опасной величины.

Таким образом, существующие методы проектирования тру­ бопроводных систем не исключают ошибок в их построении и: размещении различных элементов, например, технологических аппаратов и запорной арматуры. Степень влияния тех или иных ошибок разрабатываемого проекта различна, но все они в боль­ шей или меньшей степени приводят к необходимости «доводки» объекта до работоспособного состояния в процессе его освоения, т. е. к переделке трубопроводной системы.

В общем случае решение задачи о вибрации трубопроводов необходимо искать в исследовании двух систем: газогидравличе­ ской и механической. Причем, воспользовавшись методом газогидродинамики, необходимо получить уравнения для расчета характеристик пульсирующего потока, определить колебания давления и скорости в функции времени для любого сечения трубопровода и найти значения собственных частот. Затем необ­ ходимо найти величины усилий, возникающих в элементах тру­ бопровода под действием пульсирующего потока, их направления и точки приложения и, воспользовавшись методами динамики сооружений, определить величины, характеризующие трубопро­ водную систему как колеблющийся объект, т. е. определить амплитуды колебаний трубопроводов и аппаратов, формы коле­ баний и значения собственных частот.

Для отыскания наилучшего проектного решения такой расчет необходимо выполнить многократно, изменяя схему расположе-

8