Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Трубопроводные системы в самолётостроении
• 1.1 Трубопровод - основной элемент безопасности ЛА
• 1.1.1 Назначение трубопроводов
• 1.1.2 Надёжность трубопроводов
• 1.1.3 Отказы трубопроводов
• 1.2 Напряжения, действующие в трубопроводах
• 1.2.1 Общие сведения
• 1.2.2 Температурные напряжения
• 1.2.3 Эксплуатационные напряжения
• 1.2.4 Напряжения, вызванные поперечным колебанием трубопроводов
• 1.2.5 Дефекты, возникающие при монтаже деталей из труб
• 1.2.6 Определение монтажных напряжений в трубопроводах
• 1.2.7 Напряжения в круглом сечении
• 1.2.8 Напряжения в овальных сечениях
• 1.2.9 Температурные напряжения
• 1.2.10 Напряжения, возникающие при вибрации трубопровода
• 1.3 Обзор существующих методов расчёта
• 1.3.1 Гидравлический расчет трубопроводов
• 1.3.2 Приближенный расчет трубопроводов на прочность
• 1.3.3 Алгоритм решения инженерных задач на основе метода конечных элементов
• 1.3.4 Система инженерного анализа MSC/NASTRAN for Windows
• 2. Проектировочный расчет точки крепления трубопровода
• 2.1 Действующая конструкция трубопровода
• 2.2 Материалы деталей трубопроводной трассы и их характеристики необходимые для выполнения анализа
• 2.3 Нагрузки и условия работы конструкции
• 2.4 Определение величины нагрузок, действующих на трубу со стороны
• 2.5 Исследование динамики работы конструкции путем исследования ее динамического НДС
• 2.6 Анализ сходимости численного решения МКЭ для задачи динамического нагружения трубопроводов
• 2.7 Разработка новой конструкции узлов крепления трубопровода.
• 2.8 Расчет жесткости прокладки в первом приближении
• 2.9 Детальный расчет участка трубопровода
• 3. Анализ экономической эффективности введения в производство новой конструкции крепления трубопровода
• 3.1 Расчет экономии времени на замену конструкции
• 3.2 Расчет экономии денежных средств
• 4. Оценка вредных факторов среды
• 4.1 Освещение рабочего места
• 4.1.1 Расчёт искусственного освещения помещения
• 4.1.2 Расчёт естественного освещения помещения
• 4.2 Расчёт рентгеновского излучения компьютера
• 4.3 Защита пользователей компьютерной техники от электромагнитного излучения
• 4.3.1 Требования к современным мониторам
• 4.4 Обеспечение требуемых показателей шума
• 4.5 Пожарная безопасность
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Современные самолёты серии СУ являются одними из лучших в мире. Идеология самолёта Су 27 оказалась настолько удачной, что простое переоснащение новым оборудованием позволило создать множество новых и современных модификаций. Сейчас на самолёты ставятся мощные двигатели, новые органы управления и цифровые системы оборудования. Самолёты становятся всё более маневренными, появляются новые возможности управления, новые возможности в ведении воздушных боёв.

Но не смотря на постоянное развитие и усовершенствование техники, постоянно остаются конструктивные недоработки, которые устраняются уже в процессе эксплуатации. Именно к таким конструктивным недоработкам относится наиболее частый отказ гидросистем самолета Су 30. Если такие неполадки во время не исправлять, то это может привести к крушению самолета.

Именно к такому типу конструктивных недоработок относится постоянно разрушающаяся конструкция узлов крепления трубопровода напорной трассы в левой хвостовой балке самолета Су 30.

В связи с тем что до сих пор не было предложено никакого решения по усовершенствованию конструкции этих узлов крепления целью данного дипломного проекта является разработка такой конструкции, которая повысит срок службы всей напорной трассы трубопровода.

Задачи, решаемые в ходе данной работы включают в себя:

-разработку конструкции крепления трубопровода;

-построение расчетных моделей конструкции крепления трубопровода;

-проведение расчетов по подбору жесткости демпфирующей прокладки;

-проведение сравнительных расчетов действующей и разработанной конструкций;

-проведение расчета с наличием демпфирующего вкладыша в колодке.

На основе результатов вычислений в дальнейшем будет подобран материал для демпфирующей прокладки и предложена окончательная геометрия узлов крепления трубопровода. А также будут получены данные о работе демпфирующей прокладки в самой колодке крепления.

Дипломный проект состоит из четырех глав.

В первой главе рассмотрены основные аспекты надёжности трубопроводов, а так же - методы, применяемые для выполнения различных расчётов трубопроводных систем.

Во второй главе представлены разработка новой конструкции крепления трубопроводов гидросистемы управления горизонтальным оперением, результаты проведенного проектировочного расчёта, а так же даны рекомендации по конструктивному исполнению кронштейнов.

В третьей главе проведён анализ экономической эффективности введения в эксплуатацию разработанной конструкции, через экономию времени рабочих и экономию денежных средств на транспортные расходы.

Четвертая глава представляет собой оценку вредных факторов рабочего места инженера-конструктора.

Также в дипломный проект включены чертежи всех узлов креплений трубопровода и непосредственно сам участок трубопровода.

1. Трубопроводные системы в самолётостроении

1.1 Трубопровод - основной элемент безопасности ЛА

1.1.1 Назначение трубопроводов

Характерной особенностью летательного аппарата является широкая механизация и автоматизация систем управления полетом. Необходимость механизации летательных аппаратов объясняется, с одной стороны, возрастающим разрывом между потребными для управления мощностями и физическими возможностями человека, а с другой, - резким увеличением числа подлежащих управлению процессов.

Степень механизации управления характеризуется наличием специальных устройств и потребляемыми ими мощностями. На рисунке 1.1 приведена диаграмма роста мощностей гидравлических систем на различных летательных аппаратах.

В качестве примера, иллюстрирующего сложность современных силовых систем управления, можно привести гидравлическую систему одного из самолетов. На рис. 1.3 приведена блок-схема этой системы. В гидросистему входят 12 насосов, 85 линейных и 44 вращательных привода, 120 соленоидных и 50 механических клапанов. Общая емкость гидросистемы 830 л, протяженность трубопроводов 1600 м. Система имеет 3300 паяных и 600 механических соединений. Основные насосы могут работать в качестве моторов, обеспечивая запуск двигателей, что особенно важно для самолетов с электросистемой переменного тока. В сочетании с обычными функциональными потребителями (управлением в полете по трем каналам, механизацией крыла, шасси, тормозами и т. д.) они образуют сложную электрогидравлическую систему, а гидравлические системы самолетов Боинг 747-SР и 747-100 состоят из четырех подсистем (Рраб = 210 кгс/см2), имеют четыре независимых основных гидронасоса, каждый из них подает питание основному двигателю, а в каждой подсистеме имеется два параллельно работающих насоса: один насос с механическим приводом от двигателя, второй приводится в действие сжатым воздухом, отбираемым от компрессоров одного или всех двигателей, или от ВСУ.

А - самолёты с обычным фюзеляжем; Б - широкофюзеляжные самолёты; В - другие типы самолетов; ----- - существующие самолеты; - - - варианты существующих самолетов; …… новые самолеты; 1 - самолеты с ПД и ТВД; 2 - реактивные для коротких и средних авиалиний; 3 - реактивные для дальних авиалиний; 4 - для коротких и средних авиалиний; 5 - для дальних авиалиний; 6 - реактивные для местных авиалиний; 7 - самолеты с КВП; 8 - сверхзвуковые.

Рисунок 1.1 - Изменение сроков ввода зарубежных самолетов в эксплуатацию по годам.

В качестве другого примера на рис. 1.4 приведена блок-схема гидрогазовой системы ракеты типа воздух -- воздух [1]. В момент отделения от носителя срабатывает пиропатрон в газогенераторе 1 и вытесняет рабочую жидкость из гидроаккумулятора 3 через разрывную мембрану 4 и фильтр 5, поступающую к электрогидравлическим рулевым машинкам. В качестве другого примера на рис. 1.4 приведена блок-схема гидрогазовой системы ракеты типа воздух -- воздух [1]. В момент отделения от носителя срабатывает пиропатрон в газогенераторе 1 и вытесняет рабочую жидкость из гидроаккумулятора 3 через разрывную мембрану 4 и фильтр 5, поступающую к электрогидравлическим рулевым машинкам.

1 - самолета типа ХВ - 70 (США); 2 - самолет “Канкорд” (Англия - Франция); 3 - самолет типа F - 104 (США).

Рисунок 1.2 - диаграмма роста мощностей гидрогазавых систем летательных аппаратов.

1, 2, 3, 4 - блоки питания (БП) дублирующих гидросистем; 5, 6, 7, 8, 9, 10 -переключатели, обеспечивающие питание соответствующих функциональных подсистем от БП - 1 или БП - 2.

Рисунок 1.3 - Блок схема гидросистемы самолета типа ХВ - 70.

У--газогенератор; 2--предохранительный клапан; 3--гидроаккумулятор; 4--разрывная мембрана-. 5--фильтр: 6, 7-- электрогидравлические усилители; 8, 9--силовые приводы рулей; 10--штуцера разъемной проверки

Рисунок 1.4 - Блок-схема гидрогазовой системы ракеты типа воздух - воздух

Аналогичная система установлена на ракете «Спэрроу» [1], что позволило значительно повысить быстродействие и жесткость системы управления (обычно на таких ракетах применялись воздушные системы).

Все более сложными становятся также гидросистемы вертолетов.

В качестве рабочих жидкостей для гидравлических систем наибольшее применение получили следующие минеральные и синтетические масла: АМГ-10, АМГ-10а, АМГ-106, ЛЗ-МГ-2, 7-50сЗ, ХС-2-1, НГЖ-4 и др. Минеральные масла обладают хорошими смазочными свойствами, но имеют ограниченный температурный диапазон и пожароопасны. За последние годы получены новые синтетические невоспламеняющиеся и высокотемпературные рабочие жидкости для гидросистем.

Рабочее давление жидкости современных гидросистем постоянно возрастает.

Оптимальное рабочее давление жидкости для существующих материалов определяется по формуле:

(1.1)

где

D и d - наружный и внутренний диаметры трубопровода, мм;

- допускаемое напряжение растяжения, кгс/мм2.

Увеличение давления в гидросистемах вызвано стремлением, уменьшить их массу, так как с увеличением давления уменьшаются размеры силового привода, потребные расходы рабочей жидкости. С этой точки зрения наиболее оптимальным является рабочее давление, равное 300--500 кгс/см2.

Еще одним фактором, ограничивающим увеличение давления в авиационных гидросистемах, являются трудности, связанные с созданием надежных насосов, уплотнений и регулирующей арматуры (автоматы разгрузки, предохранительные клапаны, редукторы и т. д.).

В настоящее время ведутся работы по переходу гидросистем на давление 280--320 и 350--400 кгс/см2 (например, система самолета «Конкорд» имеет Рраб = 280 кгс/см2).

Топливные системы самолетов предназначены для размещения на их борту необходимого запаса топлива и для бесперебойной подачи топлива в камеры сгорания двигателей при всех возможных для данных самолетов режимах и условиях работы. Кроме того, топливные системы могут выполнять дополнительные функции по охлаждению других бортовых систем, балансировке самолета, поддержанию положения центра тяжести самолета в определенном диапазоне и др.

К топливным системам также предъявляются общие требования в отношении надежности, живучести, пожарной безопасности, массовых и габаритных характеристик, простоты конструкции, ремонтопригодности, контролепригодности и эксплуатационной технологичности.

Топливные системы современных самолетов, особенно сверхзвуковых, - это сложный комплекс большого количества взаимосвязанных подсистем: подачи топлива в двигатели, перекачки топлива в расходный бак, управления порядком перекачки топлива, систем контроля, наддува и дренажа топливных баков, заправки и слива топлива на земле и в полете, охлаждения и др.



1--блок источников давления; 2--блок аварийного выпуска шасси; 3--блок командных агрегатов аварийного торможения; 4-- блок редуктирования воздуха; 5--блок управления противообледенительной системой; 6--блок перезарядки; 7--блок торможения основных колес шасси; 5--блок управления открытия и сброса фонаря кабины и герметизации; 9--блок отключения подачи топлива; 10--блок управления тормозным парашютом.

Рисунок 1.5 - Структурная типовая схема пневматической системы.

Большое количество функциональных и конструктивных связей в топливной системе, а также связей между топливной системой и другими системами самолета требует при проектировании проведения сравнительного анализа различных схемных и конструктивно-технологических вариантов, их исследования и принятия компромиссных решений, обеспечивающих создание рациональной системы.

Масляные системы современных силовых установок летательных аппаратов также включают сложную сеть ответственных коммуникаций, насосов и специальных агрегатов, обеспечивающих охлаждение и фильтрацию масла, воздухоотделение и пр.

Рабочим телом в пневматических системах является газ (воздух, азот, кислород и др.). В отличие от жидкости с изменением давления в системе изменяются плотность и температура газа, поэтому пневматические системы по некоторым показателям уступают гидравлическим, хотя они обладают такими преимуществами, как низкая стоимость изготовления и сравнительная простота эксплуатации.

На ряде летательных аппаратов (особенно на тяжелых самолетах) пневматические системы часто применяются в сочетании с гидравлическими приводами в качестве аварийных средств выпуска шасси, щитков и т. д. (рисунок 1.5).

К пневматическим системам можно также отнести кислородные системы, системы кондиционирования воздуха, отдельные воздушные участки гидросистем, применяемые для торможения колес, выпуска тормозного парашюта и др.

Потребителями энергии (функциональными подсистемами) в системах механизации управления самолетом обычно являются:

- органы управления полетом (рули, винты, механизация крыла; воздухозаборники, силовая установка);

- системы управления взлетно-посадочными устройствами (уборка и выпуск шасси, поворот передней ноги шасси, торможение авиаколес);

- системы управления вспомогательными потребителями;

- приводные устройства в других бортовых системах (генераторы переменного тока, компрессоры, насосы теплообменников, вентиляторы, топливные насосы);

- прочие устройства и системы (трапы, стеклоочистители, грузовые люки).

Особые требования предъявляются также к трубопроводам гидрогазовых систем.

Для больших реактивных самолетов, где требуется лучшее соотношение между прочностью и массой в сочетании с высокой стойкостью к коррозии и нагреву, необходимо применять специальные коррозионностойкие стали, особенно для изготовления трубопроводов гидросистем самолетов, которые должны удовлетворять жестким условиям испытаний. Эти стали должны хорошо свариваться и деформироваться. Так, в двигателе самолета «Конкорд» для защиты от пожара трубопроводы высокого давления изготовлены из коррозионностойкой стали АМ350, а трубопроводы низкого давления - из коррозионностойкой стали Z3СN18 с паяными муфтами из коррозионностойкой стали. В настоящее время для трубопроводов применяется сталь 21-6-9 фирмы «Армко», содержащая 21% хрома, 6% никеля, 9% марганца. Сталь 21-6-9 используется почти во всех современных самолетах, в том числе самолетах Боинг 727, 747, DС-10 и L-1011.

Например, фирма Макдоннелл--Дуглас применяет на самолете DС-10 сталь 21-6-9 по двум основным причинам: для снижения массы примерно на 28% и для того, чтобы иметь материал, пригодный для неразъемного монтажа (все трубопроводы паяются к фитингам на стенде). Впоследствии эта сталь была распространена почти на все гидравлические системы самолета (более 1524 м трубопроводов из стали 21-6-9 и примерно 1300 соединений на каждый самолет).

Трубопроводы гидравлических систем должны иметь при комнатной температуре минимальный предел прочности 100 кгс/мм2, предел текучести 84 кгс/мм2, относительное удлинение 20%. Эти свойства трубопроводов достигаются после окончательного холодного обжатия (~15%), пайки и сварки без уменьшения коррозионной стойкости в морской воде (типа стали ВНС-2).

1.1.2 Надёжность трубопроводов

Под надежностью в практике обычно понимают свойство конструкции или ее элемента сохранять в заданных пределах свои параметры при определенных условиях эксплуатации в течение заданного срока службы.

Учитывая, что трубопроводы относятся к съемному оборудованию, их надежность можно принять как сохранение работоспособности в течение заданного интервала времени (межремонтного срока службы) в определенных условиях эксплуатации.

Весьма важным является изучение факторов, влияющих на эксплуатационную надежность трубопроводных систем. Это поможет узнать причины появления возможных неисправностей. Устранение их будет способствовать повышению надежности и долговечности как трубопроводов и их соединений, так и всей гидравлической системы машины.

Исследования показали, что надежность трубопроводов в основном зависит от совокупности следующих факторов:

­ качества проектирования;

­ качества материала, из которого изготовлены трубы;

­ совершенства производственного процесса изготовления и монтажа трубопроводов;

­ степени обоснованности технических норм и допусков, принятых при изготовлении и монтаже трубопроводов;

­ полноты испытания готовых трубопроводов;

­ организации системы контроля.

При проектировании гидравлических систем недостаточно учитываются фактические условия работы трубопроводов; наличие наряду со статическими переменных нагрузок и возможность появления усталостных разрушений. Особенно это относится к авиационным системам. Например, не уделяется должного внимания снижению колебаний давления, возникающих в трубопроводах во время работы системы. Эти пульсации, создающие повторные нагрузки от давления, в отдельных случаях вызывают опасные вибрации трубопроводов, которые приводят к образованию усталостных трещин.

Практика показывает, что прочность трубопроводов следует назначать с учетом не только статических, но и периодически повторяемых эксплуатационных нагрузок. В отдельных случаях при проектировании системы можно уменьшить эксплуатационные нагрузки применением внутреннего и внешнего демпфирования и, следовательно, значительно снизить амплитуды пульсации давления, создаваемые насосами, или вообще исключить возможность появления внутреннего резонанса в системе. Например, при установке проволочных демпферов можно значительно уменьшить амплитуды поперечных колебаний трубопроводов.

Риски и шероховатости поверхности трубопроводов особенно внутренние при наличии переменного внутреннего давления могут значительно снижать усталостную прочность трубопроводов, так как они представляют собой очаги концентрации напряжения.

Исследования показали, что условия производства не обеспечивают качественного изгиба трубы. Сплющивания (овализации) ее поперечного сечения избежать не удаётся. Более того, до последнего времени отсутствовали в промышленности технически обоснованные нормы

на величину допустимой овальности поперечного сечения для различных диаметров трубопроводов и её контроль. Наличие овальности у трубопроводов гидравлических систем подверженных действию колебаний давления, почти всегда приводит к усталостным разрушениям в виде трещин, идущих вдоль образующей трубы. Последнее обусловлено тем, что деформация овального сечения трубы при изменении внутреннего давления сопровождается изменением формы сечения трубопровода. Это способствует изгибным колебаниям сечения в плоскости перпендикулярной оси трубопровода.

Разрушения трубопровода вблизи развальцованной части свидетельствуют о дефектах технологии его развальцовки, в результате чего образуется утонение стенки трубы, о наличии рисок и надиров на внутренней поверхности конуса, а также поперечных

колебании, которые приводят к усталостным разрушениям, возникающим в наиболее ослабленном месте.

При некачественном монтаже трубопровода возможно также возникновение так называемых монтажных напряжений значительно ухудшающих условия работы трубопроводов. Для устранения этого необходимы технически обоснованные допуски на монтажные работы, а также контроль величины монтажных напряжений в трубопроводах и их соединениях.

В качестве контроля надежности и долговечности авиационных конструкций приняты натурные испытания при повторных нагрузках. Во время таких испытаний выявляют наиболее слабые места конструкции.

1.1.3 Отказы трубопроводов

Надежность гидравлических и пневматических систем определяется уровнем, совершенствования их конструкции, качеством ее технологического выполнения, а также правильной организацией эксплуатации.

Обеспечение безопасности полетов летательных аппаратов является первоочередной задачей проектирования. Для решения этой задачи проводится обширный комплекс работ, в котором важное место занимает анализ отказов и неисправностей летательных аппаратов и систем их оборудования.

Анализ материалов по эксплуатации ЛА позволяет выявить типичные отказы планера и бортовых систем, исследовать закон их распределения, причины возникновения и определить меры по устранению отказов, а также периодически оценивать надежность и ресурс.

В результате анализа и статистической обработки данных по отказам получена классификация отказов и неисправностей бортовых систем.

На рисунке 1.7 представлена диаграмма распределения отказов и неисправностей ряда летательных аппаратов. Из приведенной диаграммы видно, что на планер приходится 12% неисправностей, а на бортовые системы - 88% отказов.

Из диаграммы на рисунке 1.6 видно, что основная часть отказов происходит из-за ошибок на стадии проектирования.

На рисунке 1.8 приведена диаграмма распределения отказов и неисправностей по трубопроводным коммуникациям. Наиболее важной системой, с точки зрения безопасности полета, является гидросистема, надежность которой еще не достаточна.

а- конструктивно- технологические; б- производственные; в- неисправности при эксплуатации

Рисунок 1.6- Диаграмма распределения отказов по типам

По данным эксплуатационных фирм ВВС США, из общего числа отказов по элементам самолета до 15% приходиться на планер (фюзеляж, крыло, оперение, фонарь) до 50 - 60% на топливную, воздушную и гидравлическую системы и до 25 - 35% на радио- и электрооборудование.

а- гидравлическая, топливная, воздушная; б- планер; в- радио-, электро-, навигационная

Рисунок 1.7- Диаграмма распределения отказов по системам летательных аппаратов.

Сравнительно слабым звеном в гидросистеме являются шланги, трубопроводы и их соединения, потеря герметичности или разрушение которых приводит к серьезным отказам, иногда к аварийным ситуациям.

В результате анализа данных по дефектам и отказам трубопроводных коммуникаций выявлены следующие основные неисправности:

- негерметичность соединений трубопроводов и агрегатов;

- разрушение трубопроводов в местах соединений, креплений и в местах изгиба;

- трещины на ниппелях и накидных гайках;

- потертости трубопроводов;

- деформация трубопроводов и ниппелей (забоины, вмятины, риски и другие деформации.);

- свищи в трубопроводах;

- загрязнение внутренних полостей жидкостных систем.

Основными причинами разрушения трубопроводов и их соединений являются:

- высокий уровень изгибных колебаний трубопроводов, источ

- никами возникновения которых обычно являются вибрации эле

- ментов конструкции самолетов;

- наличие значительных монтажных неточностей в соединениях трубопроводов, резко снижающих усталостную прочность материала трубопровода при эксплуатационных переменных нагрузках.

Изучение статистических данных показывает, что характер и причины появления основных неисправностей трубопроводных коммуникаций различных летательных аппаратов аналогичны.

Рисунок 1.8- Диаграмма распределения отказов по трубопроводным коммуникациям.

1.2 Напряжения, действующие в трубопроводах

1.2.1 Общие сведения

В последнее время в отечественной и зарубежной литературе появились работы, касающиеся повышения надежности трубопроводов различных машин и, особенно, гидравлических систем самолетов.

Подобный интерес к этому вопросу вызван, с одной стороны, тем, что гидросистемы самолетов имеют значительное количество дефектов, которые могут привести к разрушению трубопроводов, и, с другой стороны, возрастающими требованиями к проектированию и изготовлению новых гидравлических систем, отличающихся применением высоких рабочих давлений и большой сложностью.

Создание новых скоростных многоместных самолетов потребовало значительного усложнения конструкции самолетов и применяемого на них оборудования, в том числе гидравлической системы. Поэтому чрезвычайно важным является изучение различных факторов, влияющих на надежность гидравлической системы самолета, особенно, действующих в них фактических напряжений.

Рассмотрим виды напряжений, возникающих в трубопроводах гидравлической системы самолета. Это поможет в случае необходимости аналогичным образом рассмотреть любую другую гидравлическую систему.

Фактически возникающие в материале трубопроводов напряжения являются суммой нескольких составляющих, которые могут быть и статическими и динамическими. Следовательно, здесь имеет место сложная деформация изгиба с внутренним давлением. Кроме того, в отдельных случаях может добавляться и кручение.

Вырежем элемент в наиболее напряженном участке трубопровода и покажем главные напряжения, действующие по его граням (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Схема действия напряжений на вырезанный элемент трубопровода.

Напряжения складываются из составляющих, действующих вдоль оси трубопровода (схема представлена на рисунке 1.7):

, (1.2)

где - постоянная составляющая напряжения от внутреннего давления;

- переменная составляющая напряжения от внутреннего давления;

- монтажные напряжения;

- температурные напряжения;

- эксплуатационные напряжения;

- напряжения, возникающие в результате вибрации.

Напряжения складываются из тангенциальных составляющих в стенке трубопровода

(1.3)

где - постоянная составляющая напряжения от внутреннего давления;

- переменная составляющая напряжения от внутреннего давления;

- переменная составляющая напряжения, вызванного внутренним давлением при овальности;

- постоянная составляющая напряжения, вызванная наличием овальности сечения;

- монтажные напряжения;

- температурные напряжения;

- эксплуатационные напряжения;

- напряжения, возникающие в результате вибрации.

Для оценки напряженного состояния трубопроводов необходимо знать величины всех этих составляющих.

1 - труба; 2 - колодка крепления; 3 - корпус изделия.

Рисунок 1.7 - Расчетная схема для определения осевых напряжений.

1.2.2 Температурные напряжения

Результаты летных экспериментов, проведенных на самолетах, показали, что температура жидкости в баках гидравлической системы в полете обычно не превышает 60 - 70° С , хотя в отдельных точках гидросистемы она может быть и выше, причем эта температура зависит от частоты срабатывания автоматов разгрузки насосов, температуры наружного воздуха и времени полета. Установлено, что после 1 - 1,5 ч полета температура принимает некоторое стабилизированное значение.

В результате нагрева трубопровода до температуры жидкости и теплового удлинения возникает продольная сила.

Вычислим величину этой силы для прямолинейного участка стального трубопровода размером 12 х 10 мм:

;

б = 125?10-7; Е = 2,1 ? 106 кГ/см2; F = 0,346 см2.

Для температуры наружного воздуха 0° и температуры жидкости около 30°С, Дt = 30° С;

Зная силу N, используем схему (рисунок 1.7) для вычисления осевых температурных напряжений в том же трубопроводе

;

Полученное значение неточно. Здесь не учтено температурное удлинение элементов конструкции рассматриваемого отсека шасси. На практике же это обстоятельство всегда имеет место. Так, по данным летных испытаний самолетов в закрытых отсеках шасси в результате прогрева последних от двигателей, температура среды всегда выше температуры наружного воздуха. Это приводит к возникновению температурных удлинений элементов конструкции и уменьшению взятого нами перепада температур Дt, что, в свою очередь, способствует снижению уровня напряжений в материале трубопровода.

Следует заметить, что здесь совершенно не учитывалось наличие монтажных напряжений и их взаимодействие с напряжениями .

1.2.3 Эксплуатационные напряжения

Эксплуатационные напряжения могут иметь значительную величину. Они возникают за счет деформации элементов конструкции, по которой проложен трубопровод. Сюда же следует отнести переменную составляющую , возникшую из-за механических вибраций.

Эти напряжения в трубопроводах можно определить лишь в процессе специальных испытаний.

1.2.4 Напряжения, вызванные поперечным колебанием трубопроводов

Поперечные вибрации трубопроводов могут возбуждаться действием механических сил, а также в результате пульсации давления или скорости рабочей жидкости, протекающей по трубопроводу. В последнем случае возможно возникновение параметрических вибраций трубопровода.

Н.А. Картвелишвили, рассматривая вибрации трубопровода, вызванные пульсирующим давлением рабочей жидкости, представлял трубопровод как трубчатую балку. При этом он использовал обычное уравнение упругой оси балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, вызванной внутренним давлением Р и осевой сжимающей силой N.

Внутреннее давление жидкости всегда вызывает поперечную силу, действующую на трубопровод, так как трубопровод, расположенный на опорах, всегда имеет прогиб от собственного веса и веса заключенной в нем жидкости, пусть даже незначительный. Кроме того, возможны нарушения прямолинейности участков трубопроводов при монтаже, вследствие чего Р1 и Р2 - силы внутреннего давления жидкости в двух очень близких поперечных сечениях 1 - 1 и 2 - 2 (рисунок 1.8) создают равнодействующую силу R, которая приложена к участку 1 - 2 и направлена перпендикулярно оси трубопровода.

Естественно, что при изменении величины рабочего давления Р изменяется и величина равнодействующей силы R. Если изменение рабочего давления периодическое, обусловленное пульсациями, создаваемыми насосами, то изменение поперечной силы R также периодическое, что приводит к возбуждению поперечных колебаний трубопровода. Н. А. Картвелишвили рассмотрел случай, когда поперечные колебания трубопровода происходят вдали от резонанса.

А и Б - участок, где возможно образование поперечных трещин.

Рисунок 1.8. Схема возникновения поперечных колебаний.

Полученное им решение не достаточно точно, так как:

1. Трубопровод рассматривали как трубчатую балку, а не как оболочку.

2. Колебания внутреннего давления считали гармоническими, в то время как они имеют иной вид.

Однако задача состояла в том, чтобы определить порядок величин .

Полученные результаты свидетельствуют о том, что колебания оболочки трубопровода при колебаниях внутреннего давления (при отсутствии резонанса) приводят к весьма незначительным переменным напряжениям (0,2 - 0,3 кг/мм2). Эти величины не превосходят точность определения предела усталости металла и не отражаются на напряженном состоянии трубопровода. Поэтому практическое значение имеют только те переменные составляющие напряжений , которые возникают в оболочке в связи с изменениями внутреннего давления независимо от возникающих при этом вибраций. Этот вывод подтверждают также экспериментальные данные.

Сколько-нибудь значительной разницы в осциллограммах напряжений, снятых в различных точках контура одного и того же сечения трубопровода, не обнаружено, но если бы напряжения имели существенное значение, такая разница должна была бы быть.

Однако положение существенно меняется, если трубопровод совершает резонансные колебания. В этом случае трактовка рассмотренной выше задачи с использованием линейных дифференциальных уравнений приводит к решениям, неограниченно возрастающим со временем. С точки зрения линейной теории это означает, что трубопровод в условиях установившихся колебаний весьма быстро может быть доведен до полного разрушения.

Наблюдения, а также экспериментальные данные указывают на то, что во многих случаях вначале амплитуды нарастают согласно линейной теории, быстро прекращаются и устанавливаются стационарные колебания весьма большой амплитуды. Это несоответствие между линейной теорией и опытом объяснено В. В. Болотиным.

Дело в том, что только в области достаточно малых амплитуд (как и рассматривал Н. А. Картвелишвили) действующие на трубопровод силы можно рассматривать как линейные функции перемещений, скоростей и ускорений.

С ростом же амплитуд начинает все в большей степени проявляться влияние нелинейных факторов. Эти факторы и ограничивают бесконечное возрастание амплитуд, предсказываемое линейной теорией.

Решение дифференциального уравнения, описывающего поперечные колебания трубопровода с учетом нелинейных факторов, представляет значительные трудности. Ввиду этого здесь оно не приведено. Однако оценить величину напряжений в условиях резонансных колебаний можно при помощи экспериментов.

По данным летных испытаний самолетов получены, например, напряжения при резонансных колебаниях трубопроводов до 9 кг/мм2.

1.2.5 Дефекты, возникающие при монтаже деталей из труб

Высокие напряжения в трубопроводах часто возникают в результате неточностей монтажа.

На величину монтажных напряжений, кроме самих неточностей, влияет еще целый ряд факторов: расположение неточностей относительно оси трубопровода, податливость систем трубопроводов, порядок монтажа, конфигурация, длина трубы и др.

Возможные отклонения размеров элементов систем при их монтаже вызывают линейные неточности (зазор Д1 и несоосность Д2 между конусами штуцера и трубопровода) и перекосы или угловую неточность Д3.

Отклонения по длине трубопроводов Д1, т. е. зазор или натяг между конусами штуцера и раструбом трубы, могут вызвать следующие дефекты:

- в прямолинейном трубопроводе - смятие и вырыв развальцованной части трубы;

- в криволинейном трубопроводе - деформирование изогнутого участка трубы, в котором, как правило, возникают напряжения большие, чем в соединении трубопроводов.

Для проверки этого явления приведен опыт, который заключался в определении остаточных деформаций через коэффициент овальности К в зависимости от перемещения одного из концов трубопровода Дl в плоскости изгиба.

Коэффициент

,

где D1 и D2 - максимальный и минимальный диаметры овального сечения трубы.

Рисунок 1.9 - Зависимость между перемещением и деформациями трубопроводов

По данным, полученным при проведении опыта, можно судить о следующем:

­ зависимость между перемещением и деформацией трубопровода, выраженная через коэффициент овальности, является почти линейной по всему диапазону перемещений (рисунок 1.9);

­ при минусовом отклонении по длине трубы зависимость между перемещениями и деформациями выражена значительно слабее, чем при плюсовом отклонении; в первом случае коэффициент овальности уменьшается, во втором - резко увеличивается;

­ увеличение коэффициента овальности трубопроводов в местах изгиба больше 10% приводит при эксплуатации изделий к разрушению трубопроводов;

­ долговечность овального участка трубопроводных систем зависит от перемещения Дl одного из концов трубы, радиуса изгиба и коэффициента овальности К.

Несоосность трубопровода со штуцером снижает сопротивление трубопровода вибрациям в их соединениях в зоне развальцовки, если это соединение трубопроводов осуществлено по наружному конусу или в соединениях трубопроводов по внутреннему конусу в местах припайки и приварки ниппеля к трубе.

Дефект несоосности, возникает при монтаже деталей из труб, понижает усталостную прочность соединений трубопроводов.

Возникновение подобных дефектов может быть вызвано некачественным выполнением развальцовки в результате, например, разной толщины стенок труб.

К этому же явлению приводит перекос трубы в зажиме развальцовочного станка, вызываемый зазорами между трубой и рабочей частью зажима, наличием диаметра трубы с минусовым допуском, малой площадью зажимаемой поверхности, а также наличием утоненной стенки у основания конуса в развальцовке, трещин, волосовин и т. д.

Перекос конуса развальцованной части трубы приводит, прежде всего, к нарушению герметичности соединений трубопроводов и возникновению течи.

1.2.6 Определение монтажных напряжений в трубопроводах

При расчете монтажных напряжений в соединениях трубопроводов исходными данными являются:

Д - исходная неточность или одна из ее проекций на любое направление оси трубопровода;

Дs - неточность или ее проекция на любое направление, при которой появляются пластические деформации;

еmax - наибольшая относительная деформация;

- отношение внутреннего диаметра трубопровода к наружному;

еs - относительная деформация, соответствующая пределу текучести.

Для соединений трубопроводов или промежуточного участка трубы определяют сначала неточность Дs, соответствующую той деформации, при которой напряжения в трубе равны пределу текучести материала. Затем определяют неточность Д, возникающую при монтаже свободного конца или промежуточного сечения трубопровода.

Если величина отношения < 1, то монтажные напряжения в трубопроводе ниже предела текучести, если же > 1, то имеет место пластическая деформация монтируемого участка, и напряжения в нем превышают предел текучести материала трубопровода.

Количественно эти напряжения оценивают по диаграмме растяжения для соответствующего материала трубопровода и по зависимости между неточностями и наибольшими монтажными деформациями (рисунок 1.10). В случае отсутствия полных справочных данных диаграмму растяжения для данного материала строят по экспериментальным данным.

Зависимость между неточностями и наибольшими монтажными деформациями строят для трубопроводов из различных материалов и различных диаметров. Однако в данном случае при расчете трубопроводов гидрогазовых систем выбор диаметров ограничен, поэтому зависимость для различных диаметров выражена сравнительно узкой областью (заштрихованный участок на рисунке 1.10).

Верхняя линия показывает зависимость между неточностями и наибольшими монтажными деформациями для трубопровода размером 8 х 1 мм, а нижняя для трубопровода 22 х 1 мм.

Для промежуточных диаметров значения величины рекомендуется выбирать по верхней кривой, что повышает запас прочности.



Рисунок 1.10 - Зависимость между неточностями и наибольшими монтажными деформациями для трубопроводов из стали Х18Н10Т.

Зависимость, приведенная на рисунке 1.10, получена при расчете большого количества трубопроводов различной конфигурации из стали Х18Н10Т, имеющих изгиб лишь в одной плоскости.

Эту зависимость можно использовать и для определения с достаточной точностью монтажных напряжений пространственных трубопроводов, т. е. имеющих изгибы в различных плоскостях.

Рекомендуется следующий порядок определения величины монтажных напряжений.

После определения по данным графика (рисунок 1.28) находят . Затем, зная величину еs, соответствующую пределу текучести , определяют еmax, а по диаграмме растяжений для данного материала, зная значения еmax, определяют уровень монтажных напряжений. Величины Д и Дs можно определить прибором, схема которого приведена на рисунке 1.11. На штуцер агрегата или на переходной штуцер 1 крепят в зажимах индикатор 2, а за накидной гайкой 4 - хомутом на трубке - ограничительную пластинку 3.

1 - штуцер; 2 - индикатор; 3 - ограничительная планка; 4 - накидная гайка; Д1 - недотяг; Д2 - несоосность; Д3 - перекос.

Рисунок 1.11 - Схема прибора для замера неточностей при монтаже.

При перемещении монтируемого участка трубопровода индикатор показывает относительное перемещение свободного конца трубопровода, поскольку абсолютное перемещение, имеющее место при зазоре Д1 между конусами штуцера и трубопровода, перекосе Д3 и несоосности Д2, происходит в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (рисунок 1.29 Д2 = 0).

Определяют Дs по этапам несколькими перемещениями монтируемого участка трубопровода.

Последовательно увеличивая эти перемещения на небольшие величины, находят величину перемещения Дs, при которой участок не возвращается в исходное положение. Точность определения должна быть в пределах 0,1 - 0,2 мм.

В случае, когда монтажные напряжения не превышают предел текучести материала, то, зная прочностные возможности материала трубопроводов, можно исходить из условия уmax = уs.

Для более точного определения монтажных напряжений в области упругих деформаций необходимо, задавая перемещения, превышающие фактическую неточность Д, найти величину Дs. Тогда фактическое монтажное напряжение

(1.4)

На основании проведенных исследований, а также на основании расчета и определения монтажных напряжений для прямолинейных участков трубопровода можно рекомендовать следующие допустимые монтажные неточности (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Допустимые монтажные неточности.

Наружный диаметр трубы в мм	При соединении труб	При закреплении в колодке
	Осевая неточность для соединения в мм	Несоосность (в мм) при длине незакрепленного участка: 275 - 300 мм	Перекос в град	Несоосность в мм	Перекос в град
	АН - 1848	АН - 1854	Заводская нормаль*
До 10	1,0	1,5	1,5	Не более 7	По нормали АН - 1426, АН - 1854 не более 30', по нормали	Не более 2 мм на длине не менее 100 мм	Не более 1° 10'
	При длине незакрепленного участка не менее 300 мм
10--20	1,0	1,5	1,5	Не более 5**	АН - 1848 с полной сферой в пределах 3°	Не более 1,5 мм на длине не менее 100 мм	Не более 30'
	При длине незакрепленного участка не менее 400 мм
Свыше 20	-	-	-	Не более 3		Не более 1 мм на длине не менее 200 мм	Не более 20'
* Соединение по наружному конусу с точеным ниппелем, припаянным к трубопроводу.
** Данная величина несоосности получена экспериментальным путем, а остальные - расчетным.

Эти монтажные неточности относятся к трубопроводам, проложенным в крепежных колодках или незатянутых хомутах и при закрепленном одном конце.

Для труб с криволинейным участком допустимая величина осевой неточности может быть несколько выше, чем для прямолинейных, так как влияние осевой неточности на монтажные напряжения прямолинейных труб более значительно, чем для труб с криволинейным участком.

Рисунок 1.12 - Схема применения прокладок для регулировки осевой неточности.

При соединении трубопроводов с фитингами закрепленных агрегатов для компенсации осевых неточностей при сборке рекомендуется применять регулировочные прокладки величиной до 3 мм (рисунок 1.12).

Хомуты и колодки креплений следует затягивать только после затяжки соединения трубопровода с двух сторон.

Чтобы избежать при монтаже увеличения овальности изогнутых трубопроводов в местах изгиба, категорически запрещается подгибать трубу во внутреннюю сторону изгиба.

1.2.7 Напряжения в круглом сечении

Определим величины составляющих , , (рисунок 1.13) для волокон внутренней и внешней поверхности трубопровода размером 12 х 10 мм.

Выберем, как и ранее, максимальное рабочее давление Рраб = 210 кГ/см2.

В этом случае напряжения на внутренней поверхности трубы

кг/см2 или 11,65 кг/мм2,

а на наружной поверхности

кГ/см2 или 955 кГ/мм2.

Рисунок 1.13 - Схема действия напряжений от внутреннего давления в плоскости круглого сечения трубопровода

Аналогичным способом определяют напряжения . Известно, что максимальная пульсация Др при работе одного шестеренчатого насоса составляет Др = 38,7 кГ/см2, а при работе двух плунжерных параллельно Др = 52,6 кг/см2. Тогда для шестеренчатого насоса

кГ/см2;

кГ/см2.

а для двух плунжерных насосов:

кГ/см2;

кГ/см2.

1.2.8 Напряжения в овальных сечениях

Различными авторами предложено несколько формул для учета повышения напряжений в трубопроводах от овальности. Проведенные авторами экспериментальные исследования показали, что для трубопроводов гидравлических систем лучше других применима формула Булгакова:

, (1.5)

где ;

a1 и b1 - большая и малая полуоси овала.

Расчет по этой формуле для давления 210 кГ/см2 и овальности К = 9,94% дает следующее значение:

кг/см2 или кг/см2.

Соответственно напряжение, вызванное пульсацией давления Др = 37,8 кГ/см2 при работе одного шестеренчатого насоса:

кг/см2.

При работе двух плунжерных насосов

Др = 49,3 кг/см2

и

кг/см2.

1.2.9 Температурные напряжения

Так как температура жидкости в трубопроводе во время полета выше температуры окружающей его среды, то напряжения неравномерно распределены по толщине стенки. При малых толщинах стенки трубопровода напряжения

, (1.6)

где Е - модуль упругости;

б - коэффициент линейного расширения (б = 12,5 х 10-6);

tв и tн - температуры внутренней и наружной поверхности стенок (примем, что tв - tн = 30?С);

м - коэффициент Пуассона; для стали м = 0,29.

Подставив значения этих величин в формулу (1.6), получим

кг/см2,

или

кг/мм2.

При этом волокна, испытывающие действие более высокой температуры, сжаты, более низкой - растянуты.

Точную оценку величины монтажных напряжений дать трудно. Однако, учитывая, что в большинстве случаев колодки крепления изготовляют из сплава алюминия или текстолита с упругими прокладками, напряжение имеет незначительную величину по сравнению с напряжениями и .

1.2.10 Напряжения, возникающие при вибрации трубопровода

Напряжения имеют наибольшее значение в условиях резонанса радиальных колебаний. Для расчетного определения величины этих напряжений необходим сложный математический аппарат, а для определения этих напряжений экспериментально нужна тензометрическая аппаратура, способная работать при частотах 1000 гц и более.

Результаты анализа многочисленных дефектов трубопроводов позволяют предположить, что эти напряжения имеют значительно меньшую величину, чем , или .В противном случае имелись бы случаи возникновения продольных трещин на поверхности трубопроводов, имеющих недеформированное (круглое) поперечное сечение.

В таблице 1.2 приведены значения напряжений, возникающих в стенках трубопровода размером 12x10 мм, под действием различного рода нагрузок. Материал трубы - сталь 20А, рабочее давление Рраб = 210 кг/см2.

Таблица 1.2 - Напряжения, действующие в трубопроводе

Наименование напряжения	Величена напряжений в кГ/мм2	Характер распределения
	на наружном диаметре	на внутреннем диаметре
1	2	3	4
Осевые напряжения
Постоянная составляющая от внутреннего давления	0,3	0,3	Равномерно по сечению трубопровода
Переменная составляющая от внутреннего давления	0,3	0,3	Равномерно по сечению трубопровода
Монтажные напряжения	Могут достигать предела текучести	Может быть различным
Температурные напряжения при Дt = 30?С	0,57	0,57	Равномерно по сечению
Эксплуатационные напряжения	-	-	Как в случае изгиба
Напряжения, возникающие при вибрации трубопровода,	До 10		Как в случае изгиба
Тангенциальные напряжения
Постоянная составляющая от внутреннего давления	9,55	11,65	Не равномерно по сечению
Переменная составляющая	2,24	2,73	Максимальные напряжения на внутренней поверхности, минимальны на внутренней
Постоянная составляющая напряжения , вызванная наличием овальности сечения при К = 10%	24,21	29,78
Переменная составляющая , вызванная внутренним давлением при наличии овальности К = 10%	6,35	6,97	То же
Монтажные напряжения	Значительно меньше, чем - 5,55	Может быть различным
Температурные напряжения	5,55	- 5,55	Неравномерно по сечению
Напряжения, возникающие при вибрации трубопровода,	-	-	Не равномерно по сечению

Из таблицы видно, что наиболее опасными из осевых напряжений следует считать напряжения от вибрации, которые в сочетании с напряжениями, возникающими при монтаже, могут приводить к разрушению трубопроводов.

Разрушение в этом случае, как правило, возникает вблизи колодок крепления или развальцовки и имеет вид трещины, идущей по окружности.

Из тангенциальных напряжений наиболее опасными следует считать напряжения, возникающие при наличии овальности.

При колебаниях величины внутреннего давления рабочей жидкости постоянная составляющая превращается в переменную. Колебания давления в этом случае приводят к изменению формы сечения и возникновению трещин, идущих вдоль образующей трубопровода.

1.3 Обзор существующих методов расчёта

Существуют гидравлический и прочностной расчеты трубопроводов.

Целью гидравлического расчета является определение потерь напора рабочей жидкости при заданных скоростях ее движения, обусловленных временем, потребным для выполнения той или иной операции.

При расчете гидравлических систем, особенно систем самолетов, приходится одновременно учитывать интересы, как уменьшения гидравлических потерь, так и уменьшения веса трубопроводов.

Для уменьшения гидравлических потерь желательно выбирать возможно больший диаметр трубы, однако при этом вес трубопровода с жидкостью возрастает в квадратичной зависимости от диаметра. В связи с этим для уменьшения веса трубопроводов в гидравлической системе желательно делать их возможно малого диаметра.

Расчет на прочность позволяет установить, насколько правильно подобраны материал трубопроводов и толщина стенки, а так же назначить требуемый запас прочности.

Гидравлический и прочностной расчеты позволяют выбрать оптимальные параметры трубопроводов.

1.3.1 Гидравлический расчет трубопроводов

Если известен расход жидкости через трубопровод, то при заданной скорости движения определяется потребный внутренний диаметр

см, (1.7)

где Q - наибольший расход жидкости, возможный в данном участке гидравлической системы, в см3/сек;

х - средняя скорость движения рабочей жидкости в см/сек.

Скорость движения жидкости в напорных и сливных трубопроводах обычно выбирают не более 8 - 15 м/сек. Для всасывающих трубопроводов ее обычно ограничивают величинами 1,5 - 2 м/сек.

Полученный по формуле [1.7] размер внутреннего диаметра трубопровода округляют до ближайшего размера, рекомендуемого соответствующим ГОСТом.

Кроме определения диаметра трубопровода, в задачу гидравлического расчета входит определение гидравлических потерь по длине трубопровода, величина которых зависит в основном от характера движения жидкости по трубопроводу.

Различают два вида движения жидкости: ламинарное и турбулентное. При ламинарном (или слоистом) движении траектории частиц жидкости параллельны оси трубы. Слои жидкости двигаются, не смешиваясь между собой. При турбулентном движении наряду с движением жидкости вдоль оси существует пульсация скорости в поперечном направлении. Траектории частиц жидкости при этом представляют собой сложные кривые.

Переход от одного режима течения к другому наступает при определенных условиях, характеризуемых некоторым безразмерным числом Рейнольдса Rе, значение которого зависит от диаметра трубопровода, скорости движения жидкости и ее кинематической вязкости.

Число Рейнольдса для круглых труб

,(1.8)

где Re - число Рейнольдса;

х - средняя скорость движения жидкости см/сек;

d - внутренний диаметр трубопровода в мм;

v - коэффициент кинематической вязкости.

Опыты показали, что ламинарному режиму движения жидкости по металлическим круглым трубам соответствуют числа Рейнольдса Rе ? 2200ч2300, а турбулентному -- Rе?2200ч2300 [1.8]. Если в трубопроводе отсутствуют возмущения, способствующие возникновению турбулентности, то поток сохраняется ламинарным до более высоких чисел Рейнольдса. Несмотря на это обстоятельство, при расчете гидравлических сопротивлений исходят из минимальных (критических) значений Rе.