книги из ГПНТБ / Сапожников, В. М. Прочность и испытания трубопроводов гидросистем самолетов и вертолетов

больших количеств атомов на сравнительно далекие расстояния при наличии значительного противодействия, междуатомных сил связи и структурных факторов. Поэтому скорость пластической деформации невелика. При большой скорости нагружения воз­ можность возникновения и развития пластической деформации ограничивается.

В общем случае при увеличении скорости нагружения мате­ риал лучше, сопротивляется пластической деформации, характе­ ристики прочности возрастают, а характеристики пластичности снижаются. При увеличении до весьма больших значений (1000 Гц) скорости нагружения предел текучести приближается к пределу прочности.

При наличии коррозии или адсорбции, а также повышенной температуры, частота испытаний оказывает весьма существен­ ное влияние на сопротивление усталости.

Из вышесказанного следует, что при проведении испытаний необходимо учитывать влияние частоты и соответственно строить программу испытаний. Например, если частота возмущающих сил на изделии равна нескольким сотням герц, то испытания можно проводить при частотах не ниже 40—50 герц. Если же на изделии зарегистрированы низкие частоты (несколько десятков циклов в минуту), то испытания необходимо проводить именно при этих частотах, так как нарушение этого условия неизбежно приведет к получению искаженных значений по пределу вынос­ ливости и долговечности.

В большинстве случаев при исследованиях на выносливость принимается синусоидальный закон изменения напряжений, что обусловлено не только наибольшей простотой его осуществле­ ния, но и тем, что во многих деталях машин напряжения изменя­ ются именно по этому закону.

Однако закон изменения переменного напряжения во време­ ни может быть весьма разнообразным.

Результаты испытаний, полученные при нагружениях по сину­ соидальному закону, без корректировки, полностью распростра­ няются на другие формы кривой, хотя достаточных опытных дан­ ных, подтверждающих возможность такого переноса, нет. Немно­ гочисленные исследования по этому вопросу показывают, что

-форма кривой изменения напряжений мало влияет на величину предела выносливости.

2. ВЫБОР БАЗЫ ИСПЫТАНИЙ

.Выбор базы испытании по циклам нагружения играет важную роль, поскольку ограниченная выносливость деталей при различ­ ных уровнях напряжений непосредственно связана с количест­ вом циклов нагружения. Особенно это относится к деталям, ра­ ботающим при высокочастотном нагружении в агрессивной или

180

адсорбционной среде, к деталям из цветных металлов, а также к паяным стальным деталям, в припое которых содержатся ком­ поненты из цветных металлов. Опыты, проведенные до настоя­ щего времени различными исследователями у нас и за рубежом, показывают, что у перечисленных выше металлов, паяных дета­ лен, а также деталей, работающих в агрессивных средах, предел выносливости зависит от базы испытаний. Исследования сталей в нейтральной среде или воздухе показали, что предел выносли­ вости от базы испытаний практически не зависит.

Например, по данным, полученным Ивановым С. II. [15, 29], изменение базы с 5 • ІО6 до 75 • ІО6 циклов для трубки из Х18НЮТ, сваренной латунной проволокой в месте соединения по внутрен­ нему конусу, привело к снижению предела выносливости данно­ го типа соединения с 18 ктс/мм2 до 12 кгс/мм2.

Проведенные им же испытания соединений по ГОСТ 13954— 68, ГОСТ 13977—68 на базе N—ііО9 циклов показали, что предел выносливости на этой базе не изменился и составляет 18— 19 кгс/мм2. Образцы, испытывавшиеся в поверхностно-активных средах имеют предел выносливости, величина которого значи­ тельно ниже, чем при испытаниях в воздухе.

Образцы, испытываемые в коррозионных средах, пределы вы­ носливости не имеют.

При оценке выносливости конструкций, работающих в раз­ личных средах, необходимо пользоваться результатами уста­ лостных испытаний, проведенных в этих же средах с различной концентрацией поверхностно-активных и коррозионных веществ, которая наблюдается при эксплуатации трубопроводных систем.

Строго говоря, при разработке методики исследований харак­ теристик выносливости деталей из.труб необходимо базу испы­ таний выбирать таким образом, чтобы учитывать все указанные выше явления, проходящие в металлах в процессе их нагру­ жения.

Вкратце, методические рекомендации по выбору базы испы­ таний деталей из труб, количество нагружений которых заведо­

мо превышает 7Ѵ=ІО7 циклов, можно сформулировать следую­ щим образом.

Стальные детали из труб, .работающие в нейтральных и по­ верхностно-активных средах, можно испытывать на базе равной Д7= ’107 циклов.

Стальные детали из труб, работающие в воде и коррозион­ ных средах, необходимо испытывать на базе, соответствующей количеству нагружений этих деталей в процессе эксплуатации.

Трубопроводы и их соединения, выполненные из цветных ме­ таллов и сплавов, а также соединения паяные припоем с компо­ нентами из цветных металлов (латунь, медь и т. д.), необходимо испытывать также на базе, соответствующей количеству циклов нагружения.

181

Необходимо отметить, что не всегда появляется возможность проводить испытания на столь больших базах, поэтому можно ограничиться базой N= ІО8 циклов и определить угол ф наклона кривой выносливости (рис. 5.3) к оси абсцисс и под этим углом продолжить отрезок ВС до предполагаемой (определенной ста­ тистически) базы — количества циклов нагружения данной дета­ ли в процессе эксплуатации. Ордината точки D даст нам расчет­ ный предел выносливости на базе, соответствующей абсциссе

точки D.

Необходимо помнить, что пределы выносливости при различ­ ных базах от N = ІО7 до N = = 108 через каждые ІО7 цик­ лов необходимо брать по­ сле статистической обра­ ботки.

Количество повторно-статических нагрузок за весь ресурс самолета сравнительно невелико и :в общем случае не превышает нескольких десятков или сотен тысяч циклов. Например, повтор­ но-статические нагрузки в трубопроводах при зарядке и разряд­ ке гидравлической системы за 20000—30000 часов налета обычно не превышают ІО5—2-1.05 циклов. Поэтому при таких нагрузках нет никакой необходимости искать предел выносливости на базе /Ѵ='Ю7 циклов. Однако база испытаний в этом случае не должна соответствовать количеству циклов до разрушения при данном уровне напряжений по среднему количеству циклов до разруше­ ния, или по минимальному количеству циклов до разрушения, полученных непосредственно из опыта. Для того, чтобы получить достоверные данные по ограниченной выносливости на данном уровне напряжений, необходимо экспериментальные данные ста­ тистически обрабатывать и брать числовые значения в пределах от 0,5 до 5% вероятности разрушения.

Исходя из опытных данных, полученных нами в процессе ис­ следования ограниченной выносливости трубопроводов из стали Х18Н10Т при различных частотах, можно рекомендовать запас по циклам при повторно-статических нагрузках брать трехкрат­ ным по минимальному количеству циклов до разрушения, или шестикратный по среднему количеству циклов до разрушения,

182

если на одном уровне напряжений испытывается не менее 10 об­ разцов.

3. КОЛИЧЕСТВО ОБРАЗЦОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДОСТОВЕРНЫХ ДАННЫХ ПО ВЫНОСЛИВОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ

Испытания на выносливость сопровождаются большим разбро­ сом результатов испытаний как по долговечности, так и по вели­ чинам пределов выносливости. Рассеяние результатов испыта­ ний связано в основном с различием свойств металла различных плавок, с применением различных процессов приготовления по­ луфабрикатов. С другой стороны рассеяние связано с различием условий изготовления и испытаний образцов на различных ма­ шинах и т. д. Различие в результатах испытаний, особенно тру­ бопроводов и их соединений, связано с различием в размерах по наружному и внутреннему диаметрам и по толщине стенки. Кро­ ме того, величина рассеяния зависит от изменения нагрузки в процессе испытаний.

Рассмотрим подробнее влияние размеров образцов на рассея­ ние характеристик выносливости, испытывающихся под действіи ем внутреннего давления жидкости. Напряжения, возбуждае­ мые в'образцах номинальным давлением, будут различны за счет разностенности и допусков по наружному и внутреннему диамет­ ру. Следовательно, значение а в общем случае будет меняться от образца к’.образцу на-величину ±Дсг, соответствующую мину­ совому или плюсовому допуску. Таким образом, проводя испыта­ ния при номинальном давлении, мы рассчитываем получить на кривой усталости (рис. 5. 4) точку А, соответствующую N циклам до разрушения, а в действительности получаем точки на кривой АіАо для разных значений напряжений в интервале а±До, но относим их по-прежнему к напряжению а, т. е. по сути дела про­ ектируем отрезок А\А2 на ось абсцисс, что создает видимость большого разброса экспериментальных данных по циклам. Отре­ зок ВС, определяющий интервал числа циклов от Nі до N2, явля­ ется интервалом разброса, ожидаемого при отклонении напря­ жений на ±Дсг от номинала. Если закон распределения разбро­ са геометрических отклонений образцов нормальный, то откло­ нения напряжений в обе стороны равномерны. Закон распреде­ ления числа циклов до разрушения даже в этом случае не будет нормальным, так как N зависит от а и точка оптимума не будет находиться на средине отрезка ВС. Больший разброс всегда бу­ дет направлен в сторону увеличения числа циклов до разру­ шения.

Кроме указанных причин разброса по напряжениям и по цик­ лам существует рассеяние результатов выносливости, связанное со статистической природой усталостного разрушения. К таким причинам относятся микроскопические источники рассеяния,

183

связанные со структурной неоднородностью металла: различные размеры, форма и ориентация зерен, наличие различных фаз, включений, искажений кристаллической решетки, случайные из­ менения в микрометрии и структуре поверхностного слоя и т. д.

Для получения достоверных данных о выносливости проводи­ лись испытания до 500 об­

по 7—20 образцам, испытываемым на одном уровне напряжений (давлений). Следовательно, при проведении исследований_вы­ носливости деталей из труб можно рекомендовать минимальное количество образцов, испытываемых на одном уровне напряже­ ний п=7 шт.

4. ИЗМЕРЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ПЕРЕД ИХ УСТАНОВКОЙ НА ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Для исключения большого рассеивания экспериментальных дан­ ных по циклам необходимо перед установкой образцов на испы­ тательные машины производить необходимые замеры.

В этом параграфе мы ие будем детально заниматься рассмот­ рением этого вопроса, а только ограничимся некоторыми реко­ мендациями.

При исследовании выносливости прямых трубопроводов под действием внутреннего давления жидкости необходимо прово­ дить замер образцов по наружному диаметру пассиметром с точностью измерения до 2 микрон и по внутреннему диаметру нутромером типа" модели 105 с рычажной головкой типа 2МІ<М. Такой нутромер повышенной точности дает возможность произ­ водить замер внутреннего диаметра также с точностью до двух микрон. Замеры необходимо производить в 4-х взаимно перпен­ дикулярных плоскостях и минимум в шести — восьми сечениях. По проведенным замерам можно оценить отклонения по наруж­ ному и внутреннему диаметру и по формуле

184

подставляя значения rmm и /'max оценить разброс напряжений в испытываемых образцах в зависимости от наружного и внутрен­ него диаметра и толщины стенки.

При исследовании выносливости изогнутых трубопроводов необходимо производить не только замеры внутреннего и наруж­ ного диаметра, но также радиуса гиба и коэффициентов оваль­ ности. Коэффициенты овальности рекомендуется определять по формуле

При исследовании выносливости соединений по наружному конусу необходимо, кроме вышеуказанных замеров производитъ замеры радиуса перехода от раструба к цилиндрической части трубы и зазор между наружным диаметром трубы и внутренним

диаметром ниппеля.

Образцы, подлежащие испытанию, необходимо маркировать цифрами, которые можно наносить посредством накатки, элект­ рокарандашом. Кернами маркировку производить не рекомен­ дуется, так как это приводит к появлению концентраторов на­ пряжений на поверхности трубопроводов.

Данные, полученные при замерах, сводятся в таблицы, в ко­ торых записываются также экспериментальные данные: ампли­ туда переменных напряжений (давлений), асимметрия цикла на­ гружения, количество циклов до разрушения и т. д.

5. ЗАМЕР ФАКТИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ И СОЕДИНЕНИЯХ

Замер фактических напряжений ох, az и аих при исследовании выносливости трубопроводов, и их соединений, как правило, про­ изводится тензодатчиками на испытательных машинах с гидрав­ лическими пульсаторами и электродинамическими вибраторами. Определение фактических напряжений на машинах типа МУРІ, МВП и УН производятся по изгибающему моменту, который соз­ дается грузом, прилагаемым к рычажной подвеске.

Для измерения окружных напряжений растяжения at датчи­ ки наклеиваются перпендикулярно образующей трубопровода, измерение растягивающих и нзгибных напряжений производится датчиками, наклеенными вдоль образующей.

Действие проволочных тензодатчиков основано на изменении сопротивления при деформации, которая вызывает одновременно изменение длины / и сечения проволоки 5, а также влияет на удельное сопротивление д.

Эти величины, как известно, связаны соотношением

(5.4)

Если считать, что все величины р, I, q переменные, то

С другой стороны при изменении длины проволоки на малую от­ носительную величину А/

где dN — изменение объема проволоки.

Из ранее приведенных выражений следует, что

характеризует чувствительность тензодатчиков.

Для исследования напряжений по длине трубопровода приме­ няются датчики с базой 5 мм и сопротивлением 50 ом.

При исследовании линейного напряженного состояния датчи­ ки наклеиваются вдоль оси действующего напряжения. В этом случае зависимость напряжения описывается формулой

У тензодатчиков на бумажной основе сохраняется лишь до eR= lß %

При больших значениях измеряемых деформаций из-за нелиней­ ности характеристики эти преобразователи необходимо традуп-

186

повать ,во всем диапазоне измеряемых деформаций. Однако пре­ дел усталости испытываемых образцов не превышает 27 кгс/мм2 в контрольном сечении, что составляет примерно ея=0,15%, по­ этому производить градуировку тензодатчиков во всем диапазо­ не рабочих деформаций нет необходимости.

Приклейку преобразователей в диапазоне рабочих темпера­ тур от 0 до 100° С производят бакелитофенольным клеем БФ-2.

Этот клей нейтрален и невызывает коррозии металлов, ус­ тойчив к действию масел, керосина и' гидросмеси.

Рис. 5.5. Схемы включения тензодатчиков (а) и тарировки образцов трубо­ проводов при консольном нагружении (б)

Тарировка образцов с приклеенными датчиками осуществля­ ется нагружением, а поэтому измерения возможны лишь после тщательной просушки образцов и при хорошей защите их от влаги.

Контроль Сушки осуществляется измерением сопротивления изоляции.

Для уменьшения гистерезисного явления [16] перед измере­ нием дается трехкратное нагружение образца до возможно боль­ ших относительных удлинений е= 1,5%.

Датчики, прикленные перпендикулярно образующей, все вре­ мя работают при растягивающих напряжениях.

Датчики, наклеенные вдоль образующей, располагают в плос­

регистрирует деформации растяжения, а нижний датчик b в этот же момент времени регистрирует деформации сжатия.

Такое включение преобразователей в в сменные плечи изме­ рительного моста имеет ряд преимуществ по сравнению со схе­ мой, в которой включение датчиков происходит в одно плечо моста. Основными преимуществами являются следующие:

а) электрические входные сигналы моста удвоены по сравне­ нию с включением'одного активного датчика;

б) оба датчика автоматически получают термокомпенсацию. С целью повышения точности замера напряжений каждый из датчиков после наклейки на образец необходимо оттарировать. Тарировка осуществляется нагружением консольно закреп­ ленного образца статической нагрузкой Р (см. рис. 5.5,6). При гаком способе нагружения эпюра изгибающих моментов по дли­ не образца имеет линейную зависимость и величина момента в

контрольном сечении определяется выражением

0,0981/33(1 — С4)

Перед тарировкой тензодатчиков необходимо после двадца­ тиминутного прогрева аппаратуры тщательно сбалансировать измерительный мост блока тензометрической станции.

Балансировка осуществляется по миллиамперметру усилите­ ля, а затем уточняется «зайчиком» шлейфа осциллографа, кото­ рый при правильной балансировке моста должен оставаться не­ подвижным на экране при подключении и выключении блока усилителя.

Предварительное нагружение образца с целью уменьшения явления гистерезиса в тензодатчиках производится троекратно на уровнях напряжений, не превышающих предел текучести [16].

Тарировка датчиков производится последовательным увели­ чением силы Р. Замеров при тарировке необходимо делать не менее 6—7, что соответствует 6—7 уровням напряжений. Тари­ ровка производится трижды, после чего определяется средне­ арифметическая величина отклонения, по которому строится график в координатах напряжение а — смещение «зайчика» «Л».

В такой последовательности необходимо тарировать каждый испытываемый образец, поскольку, как показывают опыты, раз­ личные тензодатчики дают различные электрические сигналы при одних и тех же уровнях напряжений.

После этого можно приступать к испытаниям.

При возбуждении напряжений в образце деформации пере­ даются тензодатчикам, которые в свою очередь, меняя величину выходного сигнала, подают его к блоку усилителя типа 8АНЧ7М. Усиленный усилителем электрический сигнал датчиков регистри­ руется шлейфовым осциллографом типа МПО-2, К9-21 и др., с помощью которых можно осуществлять контроль режима испы­ таний и записать процесс изменения напряжений на светочувст­ вительную пленку или бумагу.

188