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

Глава VI. Н ЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫНОСЛИВОСТИ И ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ

Испытания трубопроводов и их соединений на выносливость в инженерной практике начали проводиться ів широком масштабе в основном после второй мировой войны. В настоящее время у нас в стране эти испытания проводятся в целом ряде научноисследовательских институтов, .вузов и предприятий.

Поскольку исследованием динамических и прочностных ха­ рактеристик трубопроводов гидропередач начали заниматься сравнительно недавно, то до настоящего времени не изготовлены и не запущены в серию ни один из образцов испытательных ма­ шин. Испытательные машины для этих целей изготавливаются силами тех лабораторий и предприятий, на которых проводятся исследования.

Разумеется, что в данной главе невозможно дать описание всех машин, на которых проводятся испытания трубопроводов и их соединений. Поэтому ограничимся лишь общими сведениями о испытательных машинах, которые применялись авторами на­ стоящей монографии для исследования выносливости трубопро­ водов и их соединений, а также машинах, которые необходимо рекомендовать для проведения подобного рода исследований.

1. НАЗНАЧЕНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ МАШИН

По назначению все существующие типы машин можно подразде­ лить на следующие основные группы.

1. Испытателы-іые машины для исследования статической прочности образцов из труб под действием внутреннего давления жидкости. Эти машины предназначены для определения разру-. шающего давления (напряжения), при котором происходит раз­ рушение испытываемого образца. В настоящее время гидравли­

ческие и пневматические испытательные машины такого типа су­ ществуют.

2. Испытательные машины для исследования выносливости образцов и деталей из труб под действием повторно-статических нагружений рабочей жидкостью. К этим машинам относятся ис­ пытательные машины, которые периодически возбуждают напря­ жения в испытываемых трубах с частотой несколько колебаний

210

в минуту (3—20) причем верхний предел в основном зависит от максимальной производительности насоса и может - быть ниже указанной чистоты.

На такой испытательной машине можно проводить исследо­ вание характеристик долговечности трубопроводов при различ­ ных уровнях давления РсР и различной асимметрии цикла.

Получение достоверных характеристик при повторно-стати­ ческом нагружении представляет особенный интерес в изучении надежности'работы трубопроводов гидропередач.

3. Испытательные машины для исследования выносливости трубопроводов и образцов из труб при низкочастотном нагруже­ нии внутренним давлением жидкости. Эти испытательные маши­ ны, возбуждающие периодические напряжения в образцах от не­ скольких десятков периодов в секунду, состоят из пульсатора с приводом, системы подпора давления и системы охлаждения.

Пульсатор предназначен для создания пульсирующего дав­ ления жидкости в камере высокого давления и в испытываемых образцах, устанавливаемых на этой камере.

Система подпора давления предназначена для создания дав­ ления, которым создается асимметрия цикла.

Система охлаждения предназначена для охлаждения рабочей жидкости в процессе испытания трубопроводов на выносливость (долговечность).

4. Испытательные машины для исследования выносливости трубопроводов при высокочастотных нагрузках внутренним дав­ лением жидкости. Сюда относятся машины с рабочей частотой в несколько десятков и сотен герц.

Такие машины могут работать путем регулирования верхнего и нижнего давлений по принципу «сопло — заслонка» с исполь­ зованием упругой металлической мембраны, золотникового рас­ пределителя со сжатием жидкости в испытываемом образце плунжером и т. п.

На рассматриваемой испытательной машине можно испыты­ вать трубопроводы диаметром от 6 до 22 мм и при различных давлениях подпора рабочей жидкости. Благодаря особенностям гидравлического пульсатора на нем можно испытывать одновре­ менно при одинаковом пульсирующем давлении семь трубопро­ водов.

Испытательная машина состоит из гидравлического пульсато­ ра и гидравлической системы, обеспечивающей работу пульса­ тора.

5. Испытательные машины для исследования выносливости соединений трубопроводов при средних и высоких частотах на­ гружения. К этим машинам относятся электромеханические виб­ раторы, на которых испытания проводятся при резонансном ре­ жиме и машины с превращением постоянной силы в переменную типа НУ, МУИ, МВП-10000 (симметричный цикл) и др.

211

6. Испытательные машины для определения выносливости соединений, трубопроводов при комбинированном нагружении под действием статических, повторно-статических нагружений и высокочастотных нагрузок, создаваемых резонансным возбуди­ телем — электродинамическим вибратором. Повторно-статичес­ кие или статические нагрузки в испытательных машинах такого рода возбуждаются либо внутренним давлением жидкости, либо изгибом образца.

Частота повторно-статических напряжений не превышает 3— 4 циклов в минуту. Частота переменных напряжений может ме­ няться от 20 до 1000 Гц. Внутрь испытываемого трубопровода на этой испытательной машине можно подводить давление жидкос­ ти. Проведение исследований на таком типе машины позволяет в широком диапазоне исследовать прочностные характеристики трубопроводов и их соединений при различных комбинациях вы­ шеуказанных нагрузок и различных характерах изменения на­ пряжения по времени.

7. Испытательные машины для исследования выносливости деталей из труб .в условиях сложного нагружения, близкого к эксплуатационным нагрузкам. В образцах, устанавливаемых на такие машины, возбуждаются напряжения при поперечных коле­ баниях электродинамическими вибраторами, поперечные и ра­ диальные колебания под действием пульсации давления жидкос­ ти, повторно-статические и статические напряжения, вызываемые деформациями исследуемых деталей из труб.

Для исследований прочностных характеристик трубопроводов различных типов систем необходимо создавать испытательные машины, наиболее полно имитирующие эксплуатационные на­ грузки.

8. Испытательные машины для исследования динамической устойчивости трубопроводов под действием либо вибрационных нагрузок, либо'пульсирующего потока жидкости. На машинах этого типа исследуются динамические характеристики образцов деталей из труб.

В настоящее время различают два типа таких машин: маши­ ны, созданные на базе электродинамического вибратора и маши­ ны с гидравлическими пульсаторами. Первый тип машин анало­ гичен испытательным машинам резонансного типа.

Второй тип машин предназначен для изучения динамической устойчивости труб под действием пульсирующего потока жид­ кости. В качестве возбудителя периодических колебаний давле­ ния жидкости в трубе может быть использован плунжерный на­ сос с переменной производительностью и регулированием оборо­ тов. Другим возбудителем колебаний давления можно применить пульсационный гидрокран, имеющий привод от электромотора постоянного тока или от электромотора переменного тока в бло­ ки с вариатором для регулировки оборотов в большом диапазоне.

212

долговечности и выносливости гибких трубопроводов под дейст­ вием' внутреннего давления жидкости с частотой нагружения от

никового типа). На стенде можно испытывать три образца одно­ временно;

2)машина для испытания гибких трубопроводов при цикли­ ческом изгибе. Испытания проводятся при постоянном давлении жидкости. К контролируемым и регулируемым параметрам стен­ да относятся: величина рабочего давления жидкости в образцах, частота изгиба, радиус изгиба;

3)испытательная машина для определения изгибной жест­ кости гибких трубопроводов. Определение усилий, необходимых

для изгиба гибких трубопроводов производится на специальной машине, на которой замеряются и регулируются следующие па­ раметры: величина давления рабочей жидкости, радиус изгиба, изгибающий момент.

Более подробно описать испытательные машины и методичес­ кие указания по проведению исследований выносливости и ди­ намической устойчивости трубопроводов на них в настоящей кни­ ге не представляется возможным.

2.ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

КИСПЫТАТЕЛЬНЫМ МАШИНАМ

Получение удовлетворительных .данных по прочностным и дина­ мическим характеристикам деталей из труб при проведении ис­

следований на испытательных машинах связано с обеспечением следующих основных требований.

1. Обеспечение стабильности заданного закона изменения напряжений по времени. Это требование играет важную роль при проведении испытаний, так как нарушение закона измене­ ния напряжений может привести к резкому изменению скорости изменения напряжений по времени и, следовательно, к измене­ нию чувствительности материала (образца) к нагружению.

2. Поддержание стабильной амплитудынапряжений с точ­ ностью от !1 до 5% на протяжении всего времени испытания.

213

Поддержание стабильности и амплитуды напряжений дает воз­ можность уменьшить рассеивание результатов испытаний по ±Дст. Выполнение этого условия связано с большими трудностя­ ми, так как стабильность амплитуды в резонансных маіщінах на базе электродинамических вибраторов связана с точностью под­ держания заданной резонансной частоты. Отклонение частоты в ту или иную сторону приводит к снижению амплитуды в несколь­ ко раз. В испытательных машинах по исследованию выносливос­ ти образцов нз труб под действием внутреннего давления жид­ кости .стабильность амплитуды зависит от утечек жидкости че­ рез зазоры, щели и уплотнения и от соблюдения стабильноготемпературного режима.

3. Поддержание заданной температуры в пределах ±10° С, так как у большинства масел, применяющихся при испытаниях трубопроводов вязкость в значительной степени зависит от тем­ пературы. С увеличением температуры вязкость уменьшается и увеличиваются утечки. А утечки приводят к изменению амплиту­ ды давления. Таким образом второе и третье требования явля­ ются взаимосвязанными.

4. Отсутствие помех в виде гидравлических ударов, пульса­ ции давления и вибрационных нагрузок, искажающих закон из­ менения напряжения по времени'. Это также весьма важное усло­ вие, так как при наличии гидроударов максимальное значение размаха давления может изменяться в широких пределах в за­ висимости от целого ряда факторов и сильно повлиять на досто­ верность получаемых при испытаниях данных.

5. Одновременное испытание в одинаковых условиях нагру­ жения одной партии образцов и на одном уровне напряжений.

В настоящее время машины для усталостных испытаний кон­ струируются таким образом, что на каждый из них можно иссле­ довать не более одного образца. Для получения достоверных данных необходимо проводить испытания на нескольких маши­ нах и довольно продолжительное время и, как правило, в раз­ личных окружающих условиях. Характеристики отдельно взятых машин даже одной марки, а также окружающие условия могут в значительной степени влиять на результаты усталостных ис­ пытаний. Поэтому желательно испытания-нескольких образцов с одним уровнем напряжений проводить на одной машине одно­ временно. Гидравлические пульсаторы дают возможность тео­ ретически испытывать в одних и тех же условиях на одной и той же машине бесконечное количество образцов при усталост­ ных испытаниях. Это позволяет получить в «чистом» виде харак­ теристики рассеяния (выносливости в зависимости от микроструктурных и технологических факторов.

6. Создание любой положительной асимметрии цикла -в пре­ делах от 0 до 1. Выполнение такого требования необходимо для построения диаграмм предельных циклов в координатах а„—ат,

214

Глава VII. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫНОСЛИВОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

В настоящей главе приводятся сведения, полученные авторами, а также различными исследователями по выносливости и долго­ вечности трубопроводов и их соединении.

Многочисленные данные позволили получить данные о влия­ нии на выносливость и долговечность таких факторов как асим­ метрия цикла нагружения, частота нагружения, масштабный фактор и др.

Сведения, изложенные в этой главе могут быть использованы при выборе типов соединений и трубопроводов для вновь проек­ тируемых изделий, а также-для оценки запасов прочности и дол­ говечности по циклам у трубопроводов, установленных на экс­ плуатирующихся в настоящее время самолетах и вертолетах.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫНОСЛИВОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ в состоянии ПОСТАВКИ

Трубопроводы -в состоянии поставки подвергались испытанию под действием пульсирующего потока жидкости, а также при симметричном изгибе без внутреннего давления жидкости.

Испытания проводились в широком диапазоне частот от 4 до 200 Гц, что позволило получить удовлетворительные характерис­ тики по выносливости и долговечности.

Характеристики выносливости исследованных материалов представлены в табл. 7. 1.

Данные по влиянию частоты нагружения на долговечность образцов трубопроводов размером 12x0,9 мм из стали Х18Н10Т приведены в табл. 7. 1.

Как видно из табл. 7.2, 7.3, наиболее удовлетворительными усталостными характеристиками обладает нержавеющая сталь

по параметру . Худшие усталостные характеристики у стали

св

ВНС-2.

Характер разрушения трубопроводов также свидетельствует об этом. У трубопроводов из стали ВНС-2 и титановогро сплава «7М» отсутствуют пластические деформации, зона разрушения под действием статических и переменных нагрузок по своему ха-

216

р-актеру друг от друга практически пе отличается и похожа на излом хрупких материалов типа чугунов.

Т а б л и ц а 7.1

Т а б л и ц а 7.2

Величины числа циклов нагружения в зависимости от частоты колебаний при

Т а б л и ц а 7.3

Величины числа циклов нагружения в зависимости от частоты колебаний при 7>тах=500 кгс/см2, Pmin=10 кгс/см2

Частота нагружения Число цнклів нагиуження, УѴ=10е циклоп

Л 'Гц

. Нержавеющая сталь очень пластична, что дает возможность рекомендовать ее к широкому использованию для изготовления трубопроводных магистралей.

В связи с высокой хрупкостью титановых сплавов и стали ВНС-2 их необходимо использовать на тех участках и магистра­ лях, где отсутствуют эксплуатационные деформации и источники механических вибраций, либо устанавливать на изделия с огра­ ниченным сроком службы.

У исследованных материалов проявляется значительная чув­ ствительность к частоте нагружения.

Рис. 7.1. График ассимметрпи нагружения в за­ висимости от величины подпора рабочего давле­ ния жидкости

Из табл. 7. 2, 7. 3 вытекает, что долговечность может изме­ няться на один или два порядка в сравнительно узком диапазо­ не частот (3—40 Гц).

Дальнейшее.повышение частоты до 200 Гц не приводит к су­ щественному изменению долговечности. Из табл. 7. 4 видно, что для трубопроводов из титанового сплава 7М размером 12Х Хі,0 мм при Л п а х = 500 кгс/см2, Лпіп=Ю кгс/см2 изменение час­ тоты нагружения от 40 до 210 Гц не привело к изменению их дол­ говечности.

Т а б л и ц а 7.4

Число циклов нагружения в зависимости от частоты колебаний

Аналогичные данные были получены и для образцов нз нер­ жавеющей стали.

Влияние масштабного фактора, судя по данным, представлен­ ным в табл. 7.1, с увеличением диаметра и уменьшением тол­ щины стенки трубопроводов выносливость снижается.

Влияние асимметрии нагружения исследовалось на различ­ ных подпорах от 0 до 250 кгс/см2. В исследованном диапазоне давлений предельное давление цикла Ртах не менялось. Измене­ нию подвергалось только амплитудное значение давления ,(рис. 7.1).

.2.18