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

тоты является чисто экспериментальной. Поэтому при проведе­ нии усталостных испытаний на высоких частотах необходимо проводить тарировку каналов усиления.

Амплитудные характеристики для различных усилений одно­ го и того же канала также различны. Для усилителя 8АНЧ7М они, например, имеют вид, представленный на рис. 5.6,6. Из ди­ аграммы можно сделать вывод, что лишь при третьем коэффици­ енте усиления kz зависимость напряжения от деформации при нагружении от нуля до предела текучести остается практически линейной. При 1-м и 2-м коэффициентах усиления амплитудная характеристика теряет линейность при сравнительно малых де­ формациях. Снятие амплитудных характеристик проводится по­ средством сравнения данных, измеряемых по рычажному тензо­ метру, с данными, записанными на осциллограмме.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что за­ писи при исследовании усталостной прочности лучше произво­ дить на третьём усилении пли на втором.

6. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ИСПЫТАНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Получение характеристик выносливости трубопроводов под дей­ ствием переменного внутреннего давления жидкости несколько отличается от получения характеристик выносливости трубопро­ водов и их соединений под действием, например, поперечных ко­ лебаний, которые вызывают изгибные напряжения. Это различие проявляется в том, что в первом случае за базовый цикл прини­ мается пульсирующий цикл (коэффициент асимметрии цикла г=0), а во втором случае симметричный цикл растяжения — сжатия (г=—1).

Достоверные усталостные характеристики трубопроводов по­ лучить сложно по следующим основным причинам: во-первых, закон изменения напряжения по времени может меняться в ши­ роких пределах; èo-вторых, изменение напряжений может про­ исходить по симметричному и несимметричному циклам.

Симметричный цикл характеризуется одним предельным на­ пряжением усталости ст_і, который соответствует абсолютной ве­ личине амплитуды напряжения.

Несимметричный цикл характеризуется двумя предельными напряжениями усталости, первое из которых атназывается сред­ ним напряжением цикла и второе оа — амплитудой напряжения цикла

190

Кроме этого асимметричный цикл характеризуется коэффици­ ентом асимметрии г — —ІПІП и размахом колебания

Сопротивляемость деталей (металлов) усталости характери­ зуется тем максимальным напряжением, которое допускает пов­ торение цикла без разрушения испытуемого образца, где N — заданное техническими условиями число. Обычно N устанавли­ вается равным 10 • ІО6.

Предел усталости определяется на специальных усталостных машинах. На таких машинах устанавливают либо образцы ис­ следуемого металла, либо детали.

Сначала образцу (детали) сообщается напряжение сп, заве­ домо превышающее предел усталости, и определяют число цик­ лов УѴЬ при котором образец разрушится. При этом уровне на­ пряжений и последующих испытывается 7—10 образцов для по­ лучения более полных данных об усталости и долговечности де­ талей. Затем нагружается вторая партия образцов до напряже­ ния <72 и опять определяется число циклов АС, по истечении кото­ рых образец сломается.

Таким же образом поступают с партиями образцов №№ 3, 4, 5, 6.

Предположим, что образцы из партии № 6 не сломались, вы­ держав при напряжении сте число циклов N=10- ІО6, которое выбрано базой, определяющей предел усталости. Если разность между Оз и Об велика, то необходимо использовать еще одну партию образцов и нагрузить их промежуточным напряжением Gz Между 0 5 и о6.

Данные испытаний представляются в виде кривой усталости в полулогарифмических координатах.

Обозначим наибольшую величину напряжения несломавших­ ся образцов через aw и величину сломавшихся образцов через

O J Y -

Величина <7лу может быть названа пределом усталости лишь в том случае, если разность- До=Ол-—Gw не превышает 10% от оіг и вместе с тем До не более 1кгс/мм2.

Этот метод получения усталостных характеристик занимает очень много времени, материалов и средств. Однако никакого другого метода, ускоряющего процесс испытаний на усталость и дающего согласованные результаты с вышеописанными метода­ ми, в настоящее время нет.

Испытание трубопроводов под действием сил внутреннего давления жидкости необходимо производить при пульсирующем цикле нагружения. После получения усталостных характеристик трубопроводов при пульсирующем цикле асимметрию необходи-

191

мо смещать в сторону положительных значений коэффициента асимметрии г. Необходимость получения указанных характерис­ тик диктуется условиями нагружения трубопроводов на самоле­ тах в процессе эксплуатации пульсирующим давлением жидкос­ ти при гидроударе и работе насоса, а также статическим давле­ нием рабочей жидкости.

Испытания трубопроводов проводятся при трех — четырех уровнях давления подпора Лып-

По полученным данным пределов выносливости при различ­ ной асимметрии циклов строится диаграмма предельных циклов в координатах «ста—ат».

Зависимость строится не с начала координаты са, а с точки, расположенной на биссектрисе угла между координатами ая и ат. Эта точка соответствует пределу усталости при пульсирую­ щем цикле нагружения. Конечная точка на ординате а,„ соответ­ ствует пределу прочности трубопровода при статическом нагру­ жении.

Испытания прямых трубопроводов с деформированным попе­ речным сечением (овализацпей поперечного сечения) проводятсяаналогично.

Данные выносливости овальных трубопроводов сравниваются с данными недеформированных трубопроводов. Это отношение называется эффективным коэффициентом концентрации напря­ жений

где <т0г — предел усталости при пульсирующем цикле иедеформированного образца;

Стоов —предел усталости при пульсирующем цикле деформи­ рованного образца или детали.

Для получения усталостных характеристик овальных трубо­ проводов берется 4 партии по 7—10 образцов.

Образцам каждой партии создается соответствующая оваль­ ность, .например, образцам первой партии — 14—-16%, второй партии — 9—-10%, третьей партии — 5—6%, четвертой — 3—4%.

Получив пределы усталости каждой партии образцов, строят график зависимости эффективного коэффициента концентрации напряжений от коэффициента овальности.

Кроме того строится зависимость 2Ра от N при /( = const (ди­ аграмма выносливости), которая дает возможность непосредст­ венно оценить величину допустимого давления в трубопроводе при имеющемся коэффициенте овальности, или с каким коэффи­ циентом овальности можно использовать трубы при наличии за­ данной величины пульсирующего или рабочего давления жид­ кости.

192

Жесткая заделка обоих кондов образца даст .возможность определить выносливость либо соединения, либо изогнутого участка трубы, так как при создании в трубопроводе давления жидкости в соединениях возникают значительные напряжения, а изогнутый участок трубопровода становится более жестким и не может разгибаться. Происходящее в этом'случае перераспре­ деление напряжений приводит к повышению выносливости де­ формированного участка трубопровода.

Если один из концов трубопровода имеет свободу перемеще­

Исследование выносливости гнутых трубопроводов произво­ дится на образцах, изогнутых с различными радиусами гиба и коэффициентами овальности (не меньше четырех значений).

Исследования производятся при пульсирующем цикле нагру­ жения и циклах с положительной асимметрией.

По данным пределов выносливости строятся зависимости эф­ фективного коэффициента концентрации ß„ от величины коэф­ фициента и овальности или радиуса гиба (рис. 5. 7).

Пульсирующее давление рабочей жидкости в испытываемом образце вызывает радиальные и поперечные колебания. Поэто­ му при определенной частоте возникают резонансные поперечные колебания трубопроводов, которые приводят к быстрому разру­ шению соединений.

Частота пульсации давления в испытываемых трубопроводах подбирается экспериментально. Вначале определяется первая резонансная область, затем вторая. Испытания производятся на частотах, расположенных примерно посредине между двумя ре­ зонансными областями, чтобы исключить возможность попада­ ния в резонанс испытываемых трубопроводов при незначитель­ ной разрегулировке рабочего режима по частоте.

Диапазон частот, на которых проводятся испытания трубо­ проводов, равен 40—250 Гц.

После выбора частоты при заданном Pmin устанавливается -Ртах, значение которого вначале берется равным или большим

193

давления, соответствующего пределу упругости. Испытания проводятся по методике, описанной выше.

7. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ИССЛЕДОВАНИЙ

ВЫНОСЛИВОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ

А. Испытания на машинах, преобразующих постоянный изгибающий момент в переменные напряжения

Изготовление образцов для исследований выносливости при симметричном цикле нагружения производится согласно техно­ логии, изложенной в главе I, 3.

С точки зрения стабильности результатов и испытаний и уменьшения разброса очень важно обеспечить испытания труб­ ками из материала одной плавки.

При подготовке образцов к испытанию необходимо особенно тщательно проверять:

— наличие случайных повреждений на поверхности трубки (рисок, царапин), особенно в зоне раструба трубы или около конца ниппеля при посадке его с натягом;

—наличие овальности;

—отклонение от норм угла развальцовки трубопровода;

—качество резьбы накидной гайки и штуцера;

—отклонение от технических условий радиуса перехода от цилиндрической части трубопровода к конической.

Перед испытанием каждого образца измеряется:

—наружный и внутренний диаметры в двух взаимно перпен­ дикулярных направлениях (микрометром и индикатором);

—зазор или натяг между наружным диаметром трубопрово­

да и внутренним диаметром ниппеля.

Все результаты измерений заносятся в соответствующие таб­ лицы.

Особенно ответственным этапом подготовки соединений к ис­ пытаниям является сборка трубки с двумя штуцерами. Для это­ го необходимо поджать трубку с определенным моментом затяж­ ки согласно нормали и обеспечить соосность соединения «шту­ цер— трубка—-штуцер», которое при установке в патроны усталостных машин не вызывало бы биения осей патронов отно­ сительно друг друга больше 0,05 мм.

После подготовки соединения «штуцер — трубка — штуцер» его устанавливали в центрах круглошлифовального станка и, до­ бившись минимального биения трубки, штуцера окончательно шлифовались с допуском, равным +0,01 мм.'Только теперь соб­ ранное соединение устанавливалось в цанги испытательной ма­ шины типа МУ-2800, МУИ-6000, фирмы «Шенк» и др. На этих типах машин можно исследовать различные виды соединений трубопроводов с наружными диаметрами от 8 до 25 мм.

194

В. Испытания на вибрационных машинах

Подготовка образцов при испытании их на вибрационных испытательных машинах примерно такая же, как н на машинах, преобразующих постоянный изгибный момент в переменные на­ пряжения. Отличие заключается в следующем.

Перед установкой на испытательную машину на образец на­ клеиваются тензодатчики в двух взаимно перпендикулярных плоскостях вдоль образующей трубы.

Во избежание несоосности и перекосов одна из опор, между которыми устанавливается испытываемый образец, имеет свобо­ ду перемещения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: горизонтальной (по оси трубы) и вертикальной. Это дает воз­ можность устанавливать образец без предварительных стати­ ческих деформаций, отсутствие которых контролируется по экра­ ну осциллографа.

На электродинамических вибраторах большой мощности (бо­ лее 5 кВт) возмущающие силы достаточно велики, чтобы вызвать высокий уровень напряжений в трубопроводах. Эпюра распреде­ ления напряжений по длине трубопровода в этом случае будет такой, какой она изображена на рис. 3. 4.

Если же электродинамические вибраторы являются мало­ мощными, то в этом случае для получения необходимого уровня напряжений необходимо на трубку устанавливать присоединен­ ную массу в виде груза. Присоединение этого груза к испытывае­ мому образцу приводит, во-первых, к уменьшению частоты соб­ ственных колебаний, что дает возможность подвергать испытани­ ям короткие образцы на высоких частотах нагружения, во-вто­ рых, к изменению эпюры распределения напряжений по длине испытываемого трубопровода.

Тензометрирование напряжений по длине трубопровода дает возможность построить эпюру напряжений по длине испытывае­ мого образца. Поскольку груз примерно в 12—45 раз тяжелее образца, то. эпюра прогибов получается практически линейной.

8. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ВЫНОСЛИВОСТИ СОЕДИНЕНИЙ И ТРУБОПРОВОДОВ

При определении пределов выносливости необходимо учитывать погрешности измерений, поскольку эти погрешности могут зна­ чительно повлиять на выводы и рекомендации, полученные в ре­ зультате обработки экспериментальных данных.

Как известно, общая погрешность измерений является функ­ цией основных и дополнительных методических погрешностей.

Основная методическая погрешность определяется точностью расчетного определения следующих величин:

а) момент сопротивления образца — W;

б) напряжение в контрольном сечении образца а*;

195

в) плечо приложения тарировочного груза — /; г) размаха «зайчика» на экране осциллографа.

Дополнительная методическая погрешность определяется суммарной погрешностью измерительной аппаратуры, а именно: тензодатчиков, усилителя, осциллографа и другой измерительной аппаратуры, применяемой при замере напряжений и деформаций в испытываемом образце.

Поскольку целью тарировки образца является построение за­ висимости отклонения «зайчика» к на экране осциллографа от величины деформации в контрольном сечении образца, то вели­

приложения груза при тарировке;

еі— относительная погрешность при определении места на­ клейки датчика (определение расстояния от среза нип­ пеля до базы датчика);

е/7—относительная погрешность за счет допуска по длине ниппеля;

ей— относительная погрешность при определении размаха «зайчика» н т. д.

Относительная суммарная погрешность в этом случае будет

определять указанные выше величины с тем, чтобы относитель­ ная основная методическая погрешность не превышала 3—5%.

Если диаметр Dn и dmi у трубы диаметром 12X1 мм опреде­ лять с точностью до 0,01 мм, то относительная погрешность sw (при определении момента инерции W по формуле

196

Если эти же диаметры определять с точностью 0,1 мм, то

Если плечо тарировочиого груза определять штангенцирку­ лем с точностью 0,05 мм на базе /=100—200 мм, то

/200

Если точность измерения составляет ±0,1 мм, то EZI =0,1%

и е/, =0,5%.

Относительная погрешность е/, , если определение базы тен­ зодатчика, наклеенного на трубку, определяется с точностью ±0,05 мм, будет равна

г/ _М__Ма loo96 =0,33%

I15

иві, =0,66%, если точность определения базы равна ±0,1 мм. Если учесть, что допуск на длину при изготовлении ниппеля

находится в пределах ±0,1 мм, то относительная погрешность при определении базовой линии тензодатчика составит

Погрешность при определении величины отклонения луча со­ ставляет в зависимости от фокусировки примерно 0,2—0,5 мм. На базе, равной 40 мм, относительная погрешность составит

вл= ^.100% =0,5%

197

соответственно.

Основная методическая погрешность в первом случае будет равна

е|ф = 0,73 + 0,5 + 0,05+1+0,5 = 2,78%

и во втором случае

епр = 7,3 + 1,25+ 0,5 + 1,33 + 1,25= 11,66%.

Естественно, что с точностью измерений соответствующей второму случаю, эксперименты проводить нельзя, поскольку ос­ новная методическая погрешность является очень большой.

Как мы уже указали выше, кроме основной методической по­ грешности имеется еще и дополнительная методическая погреш­ ность. Дополнительная методическая погрешность складывается из относительной погрешности тензодатчиков ед, относительной погрешности усилителя еѵ, относительной погрешности индика­ тора еп и относительной частотной погрешности г,-

Относительная погрешность показаний тензодатчиков за счет тарировки на уровне рабочих деформаций при исключении тем­ пературных погрешностей составляет

Ед = 0,5°о .

Относительная погрешность усилителя зависит в основном от колебаний напряжений в сети питания и составляет примерно

1%.

Регистрация выходного тока тензостанции на экране осцил­ лографа либо миллиамперметром дает погрешность в пределах 0,5%.

Относительная частотная погрешность зависит от блока уси­ ления и частоты, на которой проводятся испытания.

На частотах от 0 до 200 Гц е,- равна примерно ±0,6%, на час­ тотах от 200 до 300 Гц ±1%, на частотах от 300 до 400 Гц ±2,5%, на частотах от 400 до 500 Гц ±3%, на частотах от 500 до 600 Гц±4%, на частотах от 600 до 700 Гц±6%, на частотах от 700 до 800 Гц±8%, на частотах от 800 до 900 Гц±9,5%, на частотах от 900 до 1000 Гц± 12,5%.

Относительные частотные погрешности приведены для усили­ теля 8АНЧ7М по измерениям на всех восьми блоках усиления.

Таким образом дополнительная методическая погрешность зависит от частоты, на которой проводятся испытания, и будет равна на частотах от 0 до 200 Гц. .

198

При определении частотной погрешности нами не учитыва­ лось изменение частотной характеристики каналов, которая дает изменение амплитуды напряжений (давлений) примерно на 60— 80% в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц.

Таким образом суммарная относительная погрешность будет также зависеть от частоты и будет иметь значения

£с — ®іф4'гдм — 2,78 + 2,6 — 5,4%

при частотах от нуля до 200 Гц и

ес300 = 2,78 +13^5,8% при частотах от 200 до 300 Гц и

=2,78+4,5^7,3%

при частотах от 300 до 400 Гц.

Поскольку при проведении испытаний на более высоких час­ тотах суммарная относительная погрешность сильно возрастает, то для ее уменьшения необходимо снимать частотные характе­ ристики работающих каналов усиления и относительную частот­ ную погрешность е,- принимать равной 0,6%•

Кроме этих погрешностей на величину предела усталости в значительной степени оказывают влияния изменения диаметра и разностенности по длине испытываемого образца, поскольку за­ мер производится по контрольному сечению, которое в общем случае не совпадает с сечением разрушения. Поэтому фактичес­ кие напряжения в зоне разрушения являются отличными от предполагаемых напряжений в зоне разрушения.

9. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Определение разброса понапряжениям можно произвести оцен­ кой разброса момента сопротивления поперечного сечения образ­ ца по длине, испытываемого образца. Такая оценка может быть произведена путем статистической обработки результатов, по­ лученных при замере некоторого количества образцов из одного и того же материала и одного и того же диаметра. Проведя ста­ тистическую обработку,'получим минимальные и максимальные значения момента сопротивления W и по ним определим макси­ мальное значение предела выносливости для исследуемого типа образцов или соединений.

199