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

Нетрудно заметить, что как в первом, так и во втором случае классификация нагрузок производится по действующим статиче­ ским нагрузкам, которые авторы и рекомендуют учитывать при расчетах трубопроводов и трубопроводных систем.

На наш взгляд, с точки зрения рационального проектирования, изготовления и доводки трубопроводных систем гидропередач, рационально разделить все нагрузки на основные и сопутствую­ щие.

К основным следует отнести нагрузки, связанные с обеспече­ нием нормального функционирования потребителей (системы управления, механизация крыла, шасси и т. д.); все остальные виды нагрузок можно отнести к сопутствующим.

■Это представляет удобство также на этапе эскизного проекти­ рования, поскольку расчет на прочность можно вести только на (рабочие) основные нагрузки. После изготовления изделия и от­ работки его на функционирование можно определить фактиче­ ские уровни сопутствующих нагрузок и соответственно уточнить предварительные расчеты.

С другой стороны, для увеличения достоверности проведенного расчета могут быть заданы условия, чтобы суммарный уровень напряжений, возбуждаемых сопутствующими нагрузками, не пре­ вышал какой-либо конкретной величины. Так, например, для оценки долговечности по циклам нагружения при переменных нагрузках рекомендуется не учитывать нагрузки, возбуждаю­ щие напряжения в конструкциях меньше 0,1ав.

В предлагаемом нами варианте такое ограничение можно вве­ сти для сопутствующих нагрузок. Это целесообразно и с той точ­ ки зрения, что разработанными в настоящее время конструк­ тивно-технологическими мероприятиями возможно снизить уро­ вень переменных напряжений от сопутствующих нагрузок. Если по какой-либо причине от некоторых источников посторонних нагрузок невозможно снизить уровень напряжений меньше обус­ ловленного, то их необходимо учитывать при уточнении расчета на прочность и долговечность.

Отличительной особенностью работы трубопроводов является го обстоятельство, что сопутствующие нагрузки, в особенности статические и повторно-статические, могут вызывать местную потерю устойчивости трубопровода, связанную с появлением ос­ таточных деформаций в виде искажения контура поперечного се­ чения осевой линии, а также деформации раструба.

Таким образом, в силу необоснованных допусков на изготов­ ление и монтаж трубопроводов, слабой конструктивно-техноло­ гической проработки трубопроводных трасс и неудовлетвори­ тельной эксплуатационно-ремонтной технологичности в трубо­ проводах появляются остаточные деформации, которые резко снижают их надежность и, следовательно, надежность гидравли­ ческих и топливных систем.

30

При расчетах на прочность и долговечность это обстоятель­ ство не учитывается.

2. НАГРУЗКИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ИЗГОТОВЛЕНИЕМ ТРУБОПРОВОДОВ

Нагрузки, возникающие приизготовлении трубопроводов, при­ водят к деформации трубы в зоне раструба и в зоне гиба. Нали­ чие упругого последействия материала трубы, а также допусков на изготовление трубопроводов приводит к появлению неточно­ стей— отклонениям от эталонного трубопровода. Эти отклоне­ ния при монтаже трубопроводов приводят к.появлению нагру­ зок, необходимых для деформирования при установке и подгон­ ке трубопроводов на изделии. Нагрузки, вызванные отклонения­ ми, полученными при изготовлении трубопроводов, суммируются с монтажными нагрузками, обусловленными допусками на постоянство мест крепления и опор. Обычно такая дифференци­ ация нагрузок и деформаций при анализе напряженно-деформи­ рованного состояния трубопроводов не производится. Считается, что деформации, возникающие при монтаже, зависят от монтаж­ ных неточностей. Это обстоятельство не дает возможности оценить величину нагрузок, возникающих вследствие неточности изготовления трубопроводов.

В общей сумме статических нагрузок нагрузки, обусловлен­ ные наличием отклонений от эталона при изготовлении трубо­ проводов, имеют значительную величину и могут быть значи­ тельно больше' нагрузок, обусловленных собственно монтажны­ ми неточностями. Анализ этих нагрузок позволит наметить пути повышения точности изготовления деталей из труб, что приведет к их значительному снижению и увеличению надежности трубо­ проводов.

Основными источниками возникновения статических нагрузок при изготовлении трубопроводов и соединительной арматуры являются:

1.Отклонения трубопровода от эталонного образца по конфи­ гурации. Эта неточность получается независимо от способа изго­ товления и приводит к уводу одного из концов трубопроводов при его монтаже на изделии.

2.Отклонение по углам гиба может возникнуть как вследст­ вие погрешностей, допускаемых рабочим при изготовлении тру­ бопровода, так и в случае неучета упругого последействия тру­ бопровода.

3.Отклонения по радиусам гиба также связаны с упругим по­ следействием изогнутого участка трубы и с перераспределени­

ем массы материала вдоль угла гиба по растянутым и сжатым волокнам.

31

Во избежание получения погрешностей при' гибе труб упругое последействие R0ст можно учесть следующим выражением

где т и п — коэффициенты, приведенные в таблице 2.1.

4. Отклонения концов трубы при ее упругом пружинении пос­ ле гиба можно определить по следующему выражению

R0ct

где I — длина прямого участка в мм.

5. При раскрое заготовок неизбежно появляются отклонения по длине А/, которые при монтаже приводят к появлению осе­ вых нагрузок. Отклонения по длине в основном зависят от дли­ ны прямого участка и сказываются в основном на величине на­ грузок на прямых трубопроводах. Поэтому для исключения таких нагрузок следует избегать установки коротких прямых трубопроводов.

При наличии коротких труб уменьшение нагрузок достигается увеличением допусков на установку агрегатов, к которым они крепятся.

32

6. Наличие осевых и угловых отклонений от эталона приводит при монтаже к значительным деформациям трубопроводов, кото­ рые сопровождаются вспучиванием либо смятием раструба и нарушением зазора между ниппелем и трубой. Если хвостовик ниппеля достаточно жесткий (примерно одинаков с жесткостью трубы), то в процессе эксплуатации происходит подрезание тру­ бы хвостовиком ниппеля.

7. Неточности, приводящие к значительным деформациям сое­ динительной арматуры, возникают вследствие наличия допусков на изготовление раструба, ниппеля и штуцера. При суммирова­ нии всех неточностей по углам, длине, перекосу и эксцентриси­ тету появляются значительные пластические деформации, кото­ рые приводят к разупрочнению стыка. На больших диаметрах трубопроводов (более 20 мм) эти неточности приводят к невоз­ можности получения герметизации стыка из-за того, что потреб­ ный момент для деформирования элементов соединения в стыке может оказаться значительно большим, чем момент, необходи­ мый для разрушения опор и их креплений. Поэтому для увели­ чения надежности соединений трубопроводов больших диамет­ ров желательно в их конструкции предусматривать упругие эле­ менты.

3. НАГРУЗКИ ОБУСЛОВЛЕННЫЕ МОНТАЖНЫМИ НЕТОЧНОСТЯМИ

Монтажные неточности возникают вследствие допусков и неточ­ ностей на положение базовых точек и накапливаются по мере увеличения'мест крепления опор и заделок трубопроводов. Мон­ тажные неточности заключаются в отклонениях по длине, пере­ косу и эксцентриситету. Схема основных монтажных неточностей показана на рис. 2.1 [15, 29].

Устранение монтажных неточностей приводит к появлению значительных уровней нагрузок при установке трубопроводов на изделиях, так как в данном случае устраняются не только не­ точности монтажа, но и неточности изготовления деталей из труб.

В общем случае имеем три линейных неточности по осям X, Y и Z и три угловых неточности в плоскостях XOY, XOZ и YOZ. Причем линейные неточности Ді — недотяг, Д2 — эксцентриси­ тет (несоосность) и Д3 — перекос приводят к появлению сил Хь Х2 и Х3, и изгибающих моментов Х5 и Х3 крутящего момен­ та А4.

Силы и моменты Хи Х2, Х3, Х5, Х6 возникают из-за- монтажных неточностей, а момент А4 вызывается крутящим моментом при

гайки, раструбом и конусом ниппеля, а также между раструбом

иконусом штуцера (рис. 2.2).

Моменты затяжки могут достигать значительных величин (до

1500 кгс-см и более), что приводит к увеличению коэффициен­ тов трения и к увеличению скручивающего момента. Скручиваю­ щий момент A4 равен

где Рзат— усилие, приложенное для затяжки соединения; /];л — расстояние от оси трубопровода до точки приложе­

ния Лют; / — коэффициент, учитывающий силу трения.

Сила трения по мере увеличения монтажа затяжки будет уве­ личиваться как за счет увеличения контактной поверхности, так и за счет увеличения коэффициента трения. В этом случае сила трения состоит из трех сил (см. рис. 2.2)

Силы К2 и F3 скручивают трубопровод и поскольку поверхно­ сти действия этих сил больше поверхности действия силы Flt то с увеличением Мзат момент A4 увеличивается.

Кроме скручивания трубопровода, увеличение Мзат приводит к деформации торцевой части накидной гайки под действием осевой силы Хі или к срезу резьбы.

Контроль за такого типа нагрузками и деформациями весь­ ма затруднителен, так как все поверхности, по которым проис­ ходит скольжение и деформации, являются скрытыми и недо­ ступными для наблюдения и контроля. Поэтому уменьшения сил и моментов в соединениях можно достигнуть или путем ужесто-

34

чения допусков на изготовление и монтаж, пли введением упру­ гого элемента. Например, введение криволинейной образующей раструба снижает значения потребных моментов затяжки в 3— 4 раза и соответственно уменьшает значения сил и моментов при монтаже трубопроводов.

4. НАГРУЗКИ ОТ СИЛ ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

От сил внутреннего давления жидкости возбуждаются постоян­ ные и переменные нагрузки. Постоянные нагрузки являются функцией рабочего давления в системе, переменные (величина и частота приложения) зависят от конструктивно-технологиче­ ских особенностей источников давления.

Вгидропередачах с насосами переменной производительности

всистеме источников давления все время поддерживается задан­ ное номинальное давление рабочей жидкости, снижающееся не­ значительно только в тех случаях, когда функционируют потре­ бители, потребляющие в отдельные моменты большие расходы жидкости, чем создает насос на номинальном режиме при макси­

мальном наклоне шайбы. Переменные нагрузки возбуждаются пульсирующим потоком жидкости, поступающим из плунжерно­ го насоса в систему. При работе насоса на режиме минимальной производительности амплитуда пульсации давления составляет примерно 3—5% от номинального рабочего давления Ри0„, а на режиме максимальной производительности до 20—35%, в зави­ симости от конструктивных особенностей насоса.

Вгидропередачах с насосами постоянной производительности

всистеме на участке от насоса до автомата разгрузки -происхо­ дит периодическое изменение давления от Рты, обусловленно­

го сопротивлениями системы от насоса до гидробака при работе насосов на холостом режиме, до Ртах — при работе насосов на рабочем режиме. На участке от автомата разгрузки до распре­ делителей давления периодически меняется от PH.min до Р„.гаах, обусловленных срабатыванием автомата разгрузки. Амплитуда пульсации давления поддерживается в пределах от 5 до 40% и зависит от конструктивных особенностей насоса. Исключение со­ ставляет поток жидкости, создаваемый винтовыми насосами, ко­ торые практически при нормальном режиме работы не создают пульсации расхода и давления.

Рост амплитуды пульсации давления с момента переключе­ ния потока жидкости автоматом разгрузки с бака на гпдроаккумулятор обусловлен очевидно динамической устойчивостью линии насос-гидроаккумулятор, которая естественно отлична от динамической устойчивости магистрали насос-гидробак.

В некоторых случаях переключения потока жидкости с линии автомат разгрузки — гидроаккумулятор на линию автомат раз­ грузки — гидробак сопровождается значительным повышением

давления — гидравлическим ударом в напорном трубопроводе у автомата разгрузки. При проведении летных испытаний в гид­ росистемах отдельных типов самолетов было зафиксировано по­ вышение давления примерно в два раза по сравнению с рабочим давлением жидкости.

Насосы типа НП-401, применяющиеся в общем машинострое­ нии создают пульсацию потока равную примерно 25—35% от рабочего давления жидкости в системе.

Значительными забросами давления жидкости сопровождает­ ся также срабатывание распределителей в гидравлических си­ стемах, например, кранов шасси. В одном случае максимальное давление гидроудара равно примерно 210—240 кгс/см2 при ра­ бочем давлении в системе, равном 150 кгс/см2. Во втором случае пиковый заброс давления равен примерно 300 кгс/см2. Повы­ шение давления, сопровождающееся гидравлическими ударами в магистралях происходит в том случае, когда потребитель функ­ ционирует. В случаях, когда потребитель не работает, давление

вмагистрали потребителя равно нулю, так как она сообщается

сгидробаком. Только в некоторых магистралях потребителей на

самолетах старого типа (например, ИЛ-12, ЛИ-2) магистрали потребителей все время связаны с напорными участками гидрав­ лических систем.

Трубопроводы потребителей самолетных гидравлических си­ стем подвергаются таким нагрузкам вследствие гидроударов не часто, ибо потребители системы находятся во время полета без давления жидкости. Рабочее давление подается в них на корот­

В более худших условиях находятся трубопроводы, располо­ женные на участке между насосом и автоматом нагрузки. Они подвергаются воздействию переменного давления несколько раз в час и даже, если в системе появляются внутренние пли наруж­ ные утечки, несколько десятков и сотен раз в час.

Время і между срабатываниями автомата разгрузки опреде­ ляется из выражения

где р — коэффициент динамической вязкости жидкости; Рй— начальное давление зарядки сжатым газом гидропиев-

матнческого аккумулятора; 11%—объем газовой полости гидропневматического акку­

мулятора;

S/1; — суммарные утечки (внутренние и внешние) в системе за автоматом разгрузки;

36

Лпах — максимально допускаемое рабочее давление в систе­ ме, по достижении которого автомат разгрузки пере­ ключает насосы на холостой ход;

Л і.шіп— давление, при котором насос переключается с холо­ стого хода на рабочий режим зарядки гидропневмати­ ческого аккумулятора.

Анализ приведенной формулы показывает, что основными причинами частого срабатывания автомата разгрузки могут быть:

1)внешние утечки агрегатов и соединений;

2)повышение внутренних утечек выше номинальных;

3)снижение давления начальной зарядки гидропневматнче-

скпх аккумуляторов сжатым газом;

4)неисправности автомата разгрузки, связанные с внутрен­ ними утечками;

5)снижение вязкости жидкости, особенно при высоких темпе­ ратурах.

Появление в системе одного из дефектов, увеличивающих ча­ стоту срабатывания автомата разгрузки, влечет за собой воз­ можность появления новых дефектов, в еще большей степени ухудшающих работу гидравлической системы. Так, например, яри частом срабатывании автоматов разгрузки, обусловленном вышеперечисленными причинами, жидкость нагревается и вяз­ кость ее снижается. Понижение вязкости, в свою очередь ведет к дальнейшему увеличению частоты срабатывания автомата раз­ грузки.

Примерно в таких же тяжелых условиях находятся трубопро­ воды и агрегаты в тех гидропередачах, в которых потребители функционируют на протяжении всего периода времени работы изделия.

Нагрузки от давления рабочей жидкости возбуждают в дета­ лях из труб осевые ах и окружные аг напряжения растяжения, изгибные окружные напряжения a«z и изгибные осевые напря­ жения аих (рис. 2.3). Напряженное состояние рассмотрим ниже.

Повышение давления АР при гидравлическом ударе, вызван­ ном внезапным перекрытием трубопровода, определим по фор­

крытия трубопровода меньше времени распространения давления

37

(от крана до противоположного конца трубы п обратно), т. е. меньше фазы удара

где I — длина трубопровода.

Если же время закрытия крана ТК>Т, то удар будет непол­ ным, а в случае ТК~^Т удара не может быть. Отсюда вытекает основной метод борьбы с гидравлическим ударом: увеличение времени открытия крана.-

зующей); б—'действия напряжений па элементарном участке трубопро­ вода; б—примерное распределение напряжении в поперечном сечении трубопровода под действием внутреннего давления жидкости

Гидравлический удар возникает при наличии кранов с элект­ ромагнитным управлением, время срабатывания которых лежит в пределах 0,008—0,02 с и меньше [3].

Использовав приведенное выше выражение для фазы удара и подставив вместо Т действительные значения времени сраба­ тывания электромагнитных кранов Гк, получим длину трубопро­ вода, при которой возможен полный гидравлический .удар

38

ö — толщина стенки.

Ен\ для давлений минеральных масел в гидравлических си­ стемах до 200—250 кгс/см2, £>к=12 600—17500- кгс/см2 [3].

Для трубопроводов из стали Х18Н10Т можно принять £,тр= = 2,1 X 106 кгс/см2, а из сплава АМГМ £ тр = 7,2-105 кгс/см2.

а

V С

Рис. 2.4. Зависимость скорости распространения гидроудара в тру­ бопроводах от величины d:

1, 2—кривая расчетных значений, опре­ деленных по формуле Жуковского для стальных и алюминиевых труб; 3, 4— кривая экспериментальных значений для тех же трубопроводов

Практика показала, что расчетные скорости распространения импульсов в трубопроводах не совпадают с экспериментальными данными, причем разница-увеличивается с уменьшением внут­ реннего диаметра трубопровода. Это обстоятельство объясняется тем, что формула (2.9) не учитывает сил трения между слоями жидкости, трения жидкости о стенку трубопровода, а также эффект сжатия пузырьков газа или воздуха, растворенного в жидкости. Поэтому при необходимости используют эксперимен­ тальные данные, приведенные на рис. 2.4.

Подставив в формулу (2.7) значение а = 1000 м/с, что соот­ ветствует скорости распространения импульсов в трубопроводе с внутренним диаметром d—10 мм, получим длину трубопрово­ да, при которой возможен полный гидравлический удар

где Т0— время мгновенного закрытия крана.

При неполном гидравлическом ударе повышение давления меньше, чем при полном ударе, и равно

39