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

вышлют чистоту внутренней поверхности трубы в месте соеди­ нения, что компенсирует некоторое ослабление поперечного се­ чения трубы, возникающее вследствие проникновения в нее зубьев кольца, создавая предпосылки увеличения предела вынос­ ливости соединения.

Иногда применяются соединения трубопроводов с паяными ниппачями, имеющими упругий элемент (см. рис. 1.3, (9).

Практика показала, что оптимальная толщина упругого эле­ мента находится в пределах 0,5—1 мм. Ниппели с толщиной уп­ ругого элемента менее 0,5 мм технологически очень трудно вы­ полнить, а при толщине свыше 1 мм ниппель приобретает боль­ шую жесткость, следовательно, потребное усилие затяжки соединения значительно возрастает. При оптимальной толщине упругой части соединение допускает большое число переборок ввиду небольшого по величине потребногомомента затяжки. Эти соединения имеют наибольшую трудоемкость по сравнению со всеми указанными -выше соединениями; кроме того, они об­ ладают недостатками, присущими паяным соединениям.

7. БЕСКОНУСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ (БЕЗ РАЗВАЛЬЦОВКИ)

В последнее время в гидросистемах самолетов США, Англии, Франции и СССР (ГОСТ 15763—70 — ГОСТ 15804—70) начали появляться новые виды бесконусных соединений трубопроводов или, как их иногда называют, соединения с деформированными ниппелями (рис. 1.4).

По сообщению ряда американских и английских фирм, соеди­ нения этого типа (см. рис. 1.4, а, б) не требует сильной затяж­ ки для достижения герметичности; они более устойчивы в экс­ плуатации, чем стандартные соединения с конической разваль­ цовкой концов трубопроводов.

Соединение без развальцовки состоит из корпуса, ниппеля п накидной (затяжной) гайки (иногда и без ниппеля — рис. 1.4, в). Внутри корпуса имеется коническая поверхность, перехо­ дящая в цилиндрический участок, предназначенный для фиксиро­ вания конца соединяемой трубы. Ниппель изготовлен из стали и цементируется по всей поверхности, обращенный к корпусу ко­ нец ниппеля имеет режущую кромку.

Ниппель иногда обжимают на трубе пневмоприспособлением для обеспечения плотной посадки, а в некоторых случаях тре­ буемая плотность достигается калибровкой посадочного участка трубы. При сборке тонкостенных трубопроводов с такими соеди­ нениями пользуются специальной оправкой, которая помещается внутрь трубы для придания жесткости.

При затягивании соединения гайкой происходит сжатие нип­ пеля конусной поверхностью штуцера. При этом острые кромки ниппеля врезаются в тело трубы, плотно обжимая ее.

20

При этом достигается герметичность соединения и создается пружинящее действие, препятствующее самопроизвольному от­

винчиванию накидной ганки.

Этот тип соединения удобен для трубопроводов сложной кон­ фигурации. По сообщению иностранных фирм, соединение хоро­ шо работает на тонкостенных и толстостенных трубопроводах в условиях повышенных вибраций и при гидравлических уда­

рах.

Рис. 1.4. Схемы бесконусных соеди­ нений трубопроводов (без разваль­ цовки) :

л—с упругим внутренним ниппелем; о—с врезающимся кольцом; п—с ниппелем-гай­ кой; г—с двойным упругим ниппелем

Соединение работоспособно при давлениях до 800 кге/см2 и температуре +280° С. В среде гелия оно кратковременно работа­ ло в диапазоне температур от —195° до +650° С с напряжением (Та= ±2,8 кгс/мм2. •

Но данное соединение трубопроводов имеет большие недо­ статки:

—при монтаже п демонтаже, как правило, возникают пла­ стические деформации соединительной арматуры;

—возможны только 1—3 переборки из-за пластических де­ формаций;

—имеет большую трудоемкость;

—нетехнологично в изготовлении.

Поэтому данные соединения трубопроводов могут быть реко­ мендованы только для изделий разового действия.

8. НЕРАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Неразъемные соединения — наиболее перспективная группа соединений (рис. 1.5), обеспечивающих высокую герметичность и надежность трубопроводных систем.

21

Панка а сварка неразъемных соединений производятся непос­ редственно на летательном аппарате. Хотя пайка и сварка отно­ сятся к неразъемным соединениям, ремонт трубопровода в экс­ плуатационных условиях не вызывает каких-либо затруднений при наличии специального инструмента и установки.

В зависимости от повреждения можно применять один из сле­ дующих методов ремонта. Небольшую секцию трубопровода с появившейся трещиной удобнее заменять целиком. Для этого нагревают ближайшие муфты до расплавления припоя, сдвнга-

Рмс. 1.5. Схемы неразъемных соединении:

а—паяных; б—сварных

ют их в сторону и вынимают поврежденную секцию, затем впа­ ивают новую, используя те же муфты.

Можно также вырезать поврежденную часть трубы п впаять другую на двух дополнительных муфтах; применяемый для рез­ ки труб специальный инструмент не образует опилок, могущих попасть в систему.

Небольшую трещину легко запаять, обернув трубу фольгой из припоя и тонкой стальной полоской. Применение индукционного нагрева в высокочастотном поле создает необходимые удобства

Изготовление тройников, крестовин, угольников и другой ар­ матуры для паяных соединений производят методом формовки, взрывом или высоким гидравлическим давлением. Такая соеди­ нительная арматура в несколько раз легче, чем резьбовая арма­ тура.

9. ДРУГИЕ ТИПЫ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ГИДРОСИСТЕМАХ

В гидравлических системах летательных аппаратов применяются и другие виды соединений (разнообразие их большое, но про­ цент по отношению к общему количеству соединений в гидроси­ стемах незначительный — не более 10%) [29].

К этим видам соединений трубопроводов относятся:

— разъемные подвижные соединения, которые допускают пе­ ремещение в одной или нескольких плоскостях;

22

— быстроразъемные соединения; -- діоритовые соединения (жесткие и эластичные);

— телескопические соединения и др.

Разъемные подвижные и телескопические соединения, пру­ жинные, аксиально-резьбовые шарнирные, радиальные шарнир­ ные, шарнирные с применением шарикоподшипников, групповые шарнирные и др. применяются для компенсации осевых и угло­ вых неточностей при монтаже и температурных колебаниях вза­ мен резиновых шлангов; при поворотах цилиндров вокруг оси крепления, в системах шасси и складывающихся крыльев, при гибкой связи для одновременного подвода жидкости к несколь­ ким потребителям и др.

Быстроразъемные соединения (цанговое и разъемный клапан) обеспечивают высокую эксплуатационную технологичность си­ стем, допускают быструю замену отдельных элементов и вы­ шедших из строя агрегатов, а также перекрытие трубопроводов при отсоединении агрегатов, тем самым предотвращается выте­ кание рабочей жидкости.

Діоритовые соединения применяются в топливных и сливных системах, системах дренажа и наддува, участках гидросистем

снизким давлением.

10.ГИБКИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТРУБОПРОВОДЫ

ВСоветском Союзе промышленность выпускает резиновые, рези­ но-тканевые с металлическим каркасом, полутомпаковые, сталь­

ные и другие типы гибких трубопроводов.

Применение гибких трубопроводов в авиастроении необходи­ мо в случаях [21]:

—соединения гидроагрегатов, совершающих взаимное пере­ мещение;

—прокладки трубопроводов на агрегатах, перемещающихся

относительно корпуса изделия при эксплуатации (устанавливают­ ся преимущественно у шарнирных соединений);

—соединения агрегатов, расположенных на двигателе с агре­ гатами, расположенными на корпусе летательного аппарата;

■— соединения агрегатов, установленных в зонах больших впброперегрузок;

—соединения агрегатов, расположенных в зонах больших пе­ репадов температур;

—невозможности прокладки жесткого трубопровода из-за

стесненности монтажа;

— необходимости компенсации температурных и эксплуатаци­ онных деформаций.

В настоящее время нашли широкое применение гибкие фто­ ропластовые трубопроводы и трубопроводы из нержавеющей стали [21].

23

Конструктивно они выполнены из гофра и проволочной оплет­ ки. Во фторопластовом трубопроводе гофр заменяет фторопла­ стовый рукав.

Различают следующие конструкции гофров:

—винтовые с паяным замком в двойной фальц;

—винтовые со швом, сваренные «встык» аргоно-дуговой

сваркой;

— винтовые со швом, сваренным внахлестку контактно-роли­ ковой сваркой;

—винтовые, полученные из трубных заготовок механическим формованием;

—параллельные, полученные гидравлическим формованием из сварных или цельнотянутых однослойных пли многослойных трубных заготовок.

Гофрированная часть рукава изготовляется из стали Х18Н10Т.

Для витых рукавов применяется тонкая ненагартованная лента толщиной от 0,15 до 0,8 мм. Для параллельных гофров, полу­ чаемых гидроформованпем, используются тонкостенные (6= = 0,12—0,8 мм) цельнотянутые или сварные трубы. Для рукавов малых диаметров с механическим формованием винтового гофра применяются цельнотянутые трубы с 5^0,2 мм.

Винтовые гофры изготовляются однозаходными и двухзаходиымп. Однозаходные гофры применяются для трубопроводов малого диаметра, рассчитанных на высокое давление. Гибкие трубопроводы с винтовым гофром имеют угол подъема винтовой линии в пределах 2—4°. Величина угла зависит от диаметра ру­ кава и шага винтовой линии.

Форма профиля гофром из трубопроводных цельнотянутых за­ готовок отличается равнопрочностью п плавностью переходов по сравнению с гофрами рукавов, изготовленных из ленты и сварных трубопроводов.

Классификация гибких металлических трубопроводов

Воснову классификации положены конструктивные особен­ ности, величина рабочего давления, назначение, свойства рабочей жидкости, условия работы, требования к чистоте [21].

Взависимости от конструктивных особенностей гибкие ме­ таллические трубопроводы разделены на четыре основных группы:

1.Рукав герметичный стальной (паяный) — РГС.

2.Сварной рукав герметичный стальной — СРГС.

3.Сварной рукав герметичный стальной (аргоно-дуговая оварка) СРГСА.

4.Рукав герметичный из трубной заготовки РГТ.

По величине рабочего давления трубопроводы делятся на три группы: низкого до 100кгс/см2, среднего до 250 кгс/см2 и вы­ сокого (свыше 250 кгс/см2) давления.

24

Глава II. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ТРУБОПРОВОДЫ

•Трубопроводы гидравлических и топливных систем летательных аппаратов, а также ряда транспортных машин являются слож­ ными пространственными элементами. Под действием эксплуата­ ционных нагрузок происходит деформация продольного и попе­ речного контуров, причем ів значительной степени распределение деформаций по образующей зависит не только от величины на­ грузки, а также и от конфигурации трубопровода. Кроме того, зависимость между, нагрузкой и вызываемой ею деформацией не является линейной.

На трубопроводы гидравлических и топливных систем оказы­ вает воздействие сложный спектр нагрузок, который возбужда­ ет в них переменные и постоянные напряжения.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ НАГРУЗОК

На трубопроводы гидравлических и топливных систем воздейст­ вуют нагрузки, обусловленные конструктивно-технологическими

иэксплуатационными факторами.

Всоответствии с существующей методикой для удобства ана­ лиза нагрузки, разделены на три основные группы:

—статические нагрузки;

—повторно-статические нагрузки;

—динамические нагрузки.

Кстатическим относятся нагрузки, появляющиеся в процес­ се изготовления и монтажа трубопроводных трасс на изделиях из-за наличия допусков на изготовление трубопроводов, изготов­

ление раструба и соединительной арматуры, постоянство мест крепления опор и заделок на изделии.

Статические нагрузки могут появляться в процессе эксплуата­ ции изделия; к ним относятся нагрузки, вызванные внутренним давлением жидкости в системах, находящихся постоянно под воздействием давления, деформациями трубопроводов при заме­ не агрегатов.

26

К повторно-статическим относятся нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации изделия; они вызываются заменой аг­ регатов, требующих периодической смены для проведения про­ филактических работ, внутренним давлением жидкости при сра­ батывании потребителей, деформациями корпусов летательных аппаратов, температурными деформациями и тепловым ударом.

К динамическим относятся нагрузки, вызываемые вибрацией агрегатов п силовых установок, пульсирующим потоком жидко­ сти, гидравлическим ударом, колебаниями отдельных агрегатов и панелей летательного аппарата под действием массовых, инер­ ционных и аэродинамических сил, действием скоростного напора

искачков уплотнений.

Сдругой стороны, нагрузки, действующие на трубопровод, можно классифицировать как постоянные, периодические и не­ периодические. К постоянным относятся статические нагрузки. Их величина зависит от суммарных технологических и монтаж­ ных неточностей и величины внутреннего давления рабочей жид­ кости.

Кпериодическим относятся нагрузки, возникающие при виб­ рациях, связанных с дисбалансом вращающихся и совершаю­

щих возвратно-поступательное движение элементов конструк­ ций под действием пульсирующего потока жидкости, под дейст­ вием аэродинамических нагрузок, скоростного напора и скачков уплотнений..

К непериодическим относятся нагрузки, возбуждаемые гидрав­ лическими ударами, резонансными колебаниями, при изменении частоты нагружения, изменением рабочего давления жидкости, резонансом столба жидкости в трубопроводе, при изменении частоты пульсирующего потока жидкости, деформациями корпу­ сов летательных аппаратов, перемещением элементов конструк­ ции и пр.

Приложенные иагрѵзки вызывают деформацию трубопровода II его элементов. Величина деформации зависит не только от воздействия динамических нагрузок, но также и при воздеііст-. вии статических и повторно-статических нагрузок, так как их распределение и величина в значительной степени зависят от формы продольного и поперечного контура трубы и от жестко­ сти отдельных участков и зон трубопровода, механических и уп­ ругопластических характеристик материала трубопровода.

Частоты. действующих на трубопроводы нагрузок находятся в широком диапазоне [18]. Данные частоты нагрузок достигают 1000 Гц, что свидетельствует о возможности возникновения резо­ нансных колебаний трубопроводов.

Уровни нагрузок также изменяются в широком диапазоне и могут достигать значений до (10—12)g. Наибольшими значе­ ниями отличаются нагрузки при частотах до 200—300 Гц. С даль­ нейшим увеличением частоты нагружения наблюдается снижение

27

величины нагрузок. Анализ амплитудно-частотных характери­ стик гидронасосов типа 435 ВФ и НП-25, проведенный авторами, показывает, что с увеличением частоты нагружения от 200 до 600 Гц амплитуда пульсирующего потока жидкости снижается примерно в 3,5—4 раза.

Применительно к расчетам на прочность и для анализа на­ пряженно-деформированного состояния трубопроводов в настоя­ щее время различными авторами разработаны классификацион­ ные схемы нагрузок.

Схемы классификации нагрузок составлялись либо по принци­ пу их воздействия в пространственном отношении (локальные и общие) [27], либо по принципу их важности с точки зрения влияния на прочность трубы (существенные и несущественные).

Нам представляется более целесообразным при исследовании вопросов прочности и надежности трубопроводов разделить на­ грузки на основные, вызываемые соблюдением рабочих парамет­ ров системы (внутреннее давление рабочей жидкости или газа, температурные деформации, деформации вследствие перемеще­ ния отдельных механизмов и их деталей и прочие), и сопутствую­ щие, вызываемые несовершенством конструктивной разработки гидропередачи и изготовлением их элементов. Такой подход к исследованию вопроса надежности н прочности деталей из труб дает возможность, во-первых, правильно оценить нагрузки и со­ ответственно производить расчет и, во-вторых, при анализе на­ грузок и их воздействии на трубопровод разработать ряд кон­ структивных и технологических мероприятий, для того чтобы свести сопутствующие нагрузки к минимуму и тем самым обес­ печить более приемлемые условия работы для трубопроводных систем при одних и тех же эксплуатационных нагрузках. Это позволит увеличить их надежность, долговечность, а также зна­ чительно облегчить вес трубопроводов и трубопроводной арма­ туры.

Поскольку до настоящего времени имеется очень мало опуб­ ликованных работ в области расчета и проектирования трубо­ проводов летательных аппаратов, приведем схемы классифика­ ции нагрузок в настоящей книге для того, чтобы читатель мог сам оценить преимущества и недостатки существующих схем разделения нагрузок.

В книге «Расчет трубопроводов на прочность» [17] предлагает­ ся рассматривать при расчетах на прочность магистральных и технологических трубопроводов различного назначения следую­ щие случаи нагружения.

1.Внутреннее давление.

2.Нагрузки, вызывающие,продольные напряжения под дейст­ вием внутреннего давления, температурных и эксплуатационных

деформаций.

3. Нагрузки, вызывающие сжимающие напряжения.

28

4. Нагрузки, вызываемые изгибом трубопроводов либо под действием собственного веса, либо вследствие того, что при ук­ ладке трубопроводов их профиль следует за профилем поверхно­ сти земли.

5. Давление грунта и подвижных нагрузок.

При этом дается рекомендация рассчитывать трубопровод па прочность только от сил действия внутреннего давления жидко­ сти, остальными факторами рекомендуется пренебрегать. Естест­ венно, такие рекомендации для трубопроводов гидрогазовых си­ стем летательных аппаратов являются неприемлемыми.

Авторы данной книги утверждают, что если магистральный стальной трубопровод рассчитан по первому предельному со­ стоянию, т. е. на прочность под действием внутреннего давления, •то нет оснований опасаться, что трубы могут потерять устойчи­ вость от внешних нагрузок [17].

Совместное действие внутреннего давления и внешних нагру­ зок только улучшает работу трубопроводов, так как влияние последних незначительно по сравнению с внутренним давлени­ ем. С таким выводом также согласиться нельзя, так как извест­ ные случаи разрушения трубопроводов свидетельствуют о том, что значительные внешние нагрузки в подавляющем большинстве случаев приводили к разрушению трубопроводов не'только ма­ лых, но и больших диаметров.

В книге «Расчет и проектирование систем трубопроводов» [27], опубликованной фирмой М. В. Келлог, которая служит справоч­ ным пособием для конструкторов США, занимающихся проек­ тированием технологических трубопроводов различного назначе­ ния, предлагается разделить нагрузки следующим образом:

а) нагрузки, вызывающие основные напряжения, к которым относятся осевые и окружные напряжения растяжения от дейст­ вия внутреннего давления жидкости или газа, напряжения изгиба и кручения, івозникающне от внешних нагрузок, напряжения из­ гиба и кручения, вызванные изменениями температуры;

б) нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения, кото­ рые изменяются по толщине стенки трубы от положительного значения до отрицательного; наиболее характерным примером дополнительных напряжений могут быть окружные изгибные напряжения в изогнутых трубах, возникающие под действием сил, сплющивающих поперечное сечение трубы. Дополнительные напряжения представляют собой потенциальный источник разру­ шения вследствие усталости;

в) нагрузки, вызывающие местные напряжения, которые быст­ ро затухают на небольшом расстоянии от источника возникно­ вения. Примером могут быть напряжения от изгиба в соедине­ ниях или в местах крепления труб (монтажные напряжения); по значимости местные напряжения эквивалентны дополни­ тельным. ’

29