книги из ГПНТБ / Сапожников, В. М. Прочность и испытания трубопроводов гидросистем самолетов и вертолетов
.pdfНа рис. 3.17 праведен график изменения максимальных на пряжении в стальном трубопроводе размером 8x1 мм и длиной 600 мм с одним ограничителем посредине. Возбуждение прово дилось в диапазоне частот 50—700 Гц при коэффициенте виб роперегрузки g = 6. Как видно нз данных испытаний оптималь ный зазор в этом случае находится.в пределах от 0 до 0,4 мм. При а = 0,8 кгс/мм2 зазор, определенный по формуле (3.91), со ставляет 0,25 мм.
Более точно величину оптимального зазора следует опреде лять исходя также пз условия оптимальной жесткости втулки.
Оптимальную жесткость можно определить по следующей эмпирической формуле
Ссіп.= 2,35а“, |
(3.92) |
где а — частотный коэффициент для трубопровода с демпфиру ющей опорой (для опоры оптимальной жесткости, рас положенной посредине пролета а = 6,825).
Поскольку ударно-демпфпрующая опора имеет нелинейную характеристику и ее жесткость характеризуется зазором б и же сткостью втулки С, то приведенную оптимальную жесткость С1ф можно получить, выбрав произвольную величину С и выдержав соответствующий оптимальный зазор.
Величину зазора можно определить, решая задачу о колеба ниях трубопровода с демпфирующей опорой при ее характери стике, линеаризованной по Пановко Я. Г. [24].
|
ааЗ |
а / |
а \ |
а / |
а \ |
|
siaT [ l - |
c!! T ) + chT V ~ cosT ) |
|||
|
уСпр/ |
|
а |
а |
|
|
|
|
1- cos — |
ch — |
|
|
|
|
|
|
(3.93) |
где |
а — амплитуда внброскорости точек крепления опор; |
||||
|
уз — декремент колебания; |
|
|
|
Фj — функция жесткости.
Подставляя в уравнение (3.93) вместо Спр значение Сопт, по лучим выражение для оптимального зазора
|
80ІІТ= |
0,975 - ^ Ф { ^ ~ ) • |
(3. 94) |
|
На рис. 3.18 приведены зависимости безразмерного парамет |
||
ра |
от отношения |
при различных значениях у3 |
(дек- |
|
а |
С |
|
ремент колебания для различных сортов резины при частотах от 50 до 500 Гц находится в пределах 1,0—3,0).
ПО
Задавшись величиной С, которая определяется размерами и материалом втулки и зная величину Сопт, находим по графику
параметр |
S o u r / |
. • |
01 |
||
|
а |
|
После этого, зная величину виброскоростн и частоту вибра ций /, определяем оптимальный зазор 60Пт, величина которого на
ходится в пределах от 0,5 |
|
|
|
|
|||||||||
до |
0,3 |
мм. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Упруго - демпфирующие |
|
|
|
|
||||||||
опоры |
(зажимы) работают |
|
|
|
|
||||||||
на |
|
принципе |
поглощения |
|
|
|
|
||||||
энергии |
колебаний |
трубо |
|
|
|
|
|||||||
провода |
упругими |
элемен |
|
|
|
|
|||||||
тами. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Упруго - демпфирующий |
|
|
|
|
||||||||
элемент должен |
быть |
изго |
|
|
|
|
|||||||
товлен |
из материала |
обла |
|
|
|
|
|||||||
дающего большим |
коэффи |
|
|
|
|
||||||||
циентом |
поглощения |
энер |
|
|
|
|
|||||||
гии ф и хорошими диссипа |
|
|
|
|
|||||||||
тивными свойствами. Таким |
|
|
|
|
|||||||||
материалом является |
|
МР, |
|
|
|
|
|||||||
изготовленный |
из |
пружин |
|
|
|
|
|||||||
ной |
проволоки |
диаметром |
|
|
|
|
|||||||
0,15 мм. Упругие элементы из |
|
|
|
|
|||||||||
МР |
получаются |
путем |
хао |
|
|
|
|
||||||
тической |
укладки |
спирали |
|
|
|
|
|||||||
в |
заготовительную |
форму, |
|
|
|
Српт |
|||||||
в которой производится |
хо |
|
|
|
|||||||||
лодное |
прессование до |
раз |
|
|
|
С |
|||||||
меров |
готовой детали. Пос |
Рис. 3. 18. |
График зависимости |
без |
|||||||||
ле прессования упругий эле |
|||||||||||||
|
|
кОПТ f от |
Со |
||||||||||
мент |
механической |
обра |
размерного параметра |
||||||||||
ботке не подлежит. |
природы |
при различных значениях декремента |
|||||||||||
|
|
Особенностью |
колебании |
материала |
прокладки 63 |
||||||||
упругого и неупругого сопро |
|
|
|
|
|||||||||
тивления прокладок из |
МР |
|
|
|
|
является контакт между витками в виде сцепления и скольже ния, основанного на сухом трении. Количественное сравнение поглощающих свойств говорит о преимуществе МР в два-три раза по сравнению с поглощающими свойствами лучших сортов' резин.
Упругие свойства анизотропного материала МР определя ются числом точек контакта между витками и являются функци ей деформации, а также связаны с ориентацией витков спирали, усилием прессования и величиной и направлением внешней на грузки. С точки зрения стабильности свойств и сопротивляемо сти периодически действующим нагрузкам наиболее благопри-
111
ятным является совпадение направлений усилия прессования и внешней нагрузки.
Упруго-демпфирующне опоры обладают достаточной проч ностью, малым весом, износоустойчивостью, способностью со хранять первоначальные свойства при длительном хранении, обеспечивать металлизацию, а также обеспечивают простоту монтажа и возможность регулирования жесткости н демпфиру ющей способности. Они поглощают энергию при линейных, угло
|
|
вых и поперечных колебаниях и |
||||||||
|
|
перемещениях |
трубопроводов. |
|||||||
|
|
Применение упруго-демпфи- |
||||||||
|
|
рующих опор уменьшает монтаж |
||||||||
|
|
ные |
и |
температурные |
напряже |
|||||
|
|
ния |
в |
трубопроводах |
в |
связи |
||||
|
|
с чем могут быть увеличены |
до |
|||||||
|
|
пуски к точности монтажа по не |
||||||||
|
|
соосности и перекосу. |
характери |
|||||||
|
|
Разносторонней |
||||||||
|
|
стикой |
упруго-демпфирующего |
|||||||
|
|
материала является петля |
гисте |
|||||||
|
|
резиса, |
которая |
приведена |
на |
|||||
|
|
циклической |
диаграмме |
|
(рис. |
|||||
|
|
3.19). Она содержит наиболее |
||||||||
|
|
полную |
информацию об упругих |
|||||||
|
|
и диссипативных свойствах упру- |
||||||||
|
|
го-демпфирующих материалов. |
||||||||
Рис. 3. 19. Циклическая диаграмма |
Упругие |
свойства |
упруго- |
|||||||
демпфирующего |
материала |
ха |
||||||||
петли гистерезиса: |
рактеризуются |
|
коэффициентом |
|||||||
AmOmß—главный |
диаметр; АпОпВ—кри |
|
||||||||
линейной составляющей упругого |
||||||||||
вая приведенной |
восстанавливающей |
сопротивления |
|
(козффициектом |
||||||
силы |
|
жесткости) |
С', |
определяемым уг |
||||||
лом наклона главного диаметра AB. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
С '= — ----для линейного перемещения кгс-мм; |
|
|
|
|||||||
У |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h’= —2а |
для углового перемещения |
кгс-мм/рад; |
|
|
где Qa и Ма— амплитудные значения нагрузки и моментов кгс и кгс-мм;
уа и фа — амплитудные значения перемещений мм и рад.
Демпфирующие свойства упруго-демпфирующнх материалов характеризуются коэффициентом поглощения
Ф= |
(3-95) |
где AF— площадь циклической диаграммы, мм2; F — площадь треугольника ОАЕ, мм2.
112
Несимметричность циклической диаграммы характеризуется коэффициентом нелинейности упругого сопротивления
т= ~ - ' |
(3-96) |
где FL— площадь фигуры ОтАп, образованной дугой, приведен ной восстанавливающей силы и главным диаметром. Площадь считается отрицательной, если дуга ОпА на ходится ниже прямой ОА.
14. ГИБКИЕ КОМПЕНСАТОРЫ ТРУБОПРОВОДОВ
Сложная конфигурация трубопроводов и технология их изго товления не позволяет изготовить детали из труб с большом точностью. Кроме этого трудно обеспечить постоянство мест крепления — опор и заделок на изделии. Это приводит к появ лению больших значений монтажных неточностей, вызывающих значительные уровни постоянных (статических) напряжений в трубопроводах. Уменьшение изгибной жесткости трубопроводов позволяет значительно снизить уровень монтажных напряжении и повысить надежность работы трубопроводов. Одним из мето дов уменьшения изгибной жесткости является введение в трубо проводы гибких элементов, выполненных из стального оплетен ного шланга. Кроме этого гибкая вставка может поглощать энергию механических колебаний и тем самым демпфировать жесткие участки трубопроводов. Введение в трубопровод гибких компенсаторов позволяет отказаться от телескопических хомутов II кронштейнов сложных в изготовлении, расширить поле допус ков на места крепления трубопроводов и изъять из элементов опор и соединений резиновые элементы, подверженные старению и разбуханию, а также потере эластичности под воздействием температуры.
Характерная особенность гибких стальных трубопроводов — хорошая податливость осевым и изгибным нагрузкам. Однако деформации гибких трубопроводов должны быть в пределах, установленных техническими условиями на данный типоразмер рукава.
Гибкие рукава плохо работают на кручение, так как крутя щий момент вызыв-ает потерю устойчивости гофров.
Частота собственных колебаний трубопровода зависит от его жесткости. На рис. 3.20 приведены экспериментальные дан ные, полученные [21] при исследовании амплитудно-частотных характеристик трубопроводов с гибкими вставками. Жесткость зависит в значительной степени не только от длины консолей жестких участков, но и от длины гибкого компенсатора.
Аналитическое исследование частоты колебаний, основанное на дифференциальном уравнении свободных колебаний, дало возможность определить значения двух частот основного тона
ПЗ
для трубопроводов с симметричным расположением компенса тора:
А |
1 |
6EJ |
|
|
(3. 97) |
2л |
L3mrl, |
|
|
||
|
|
|
|
||
и |
6EJ |
|
|
|
|
|
. 2Ср(/к— 1) |
|
(3. 98) |
||
|
L ffijp |
1yJHi’ |
|
||
|
|
|
|||
где L — длина консоли жесткой трубки; |
|
|
|
||
Ср — жесткость компенсатора на растяжение, кгс/см; |
|
||||
/к —-длина компенсатора, см. |
|
|
компенсатора |
||
Частота /у определяется без учета жесткости |
|||||
|
на растяжение. |
|
спо |
||
|
|
Наличие |
компенсатора |
||
|
собствует существенному |
демп |
|||
|
фированию |
колебаний трубопро |
|||
|
вода. Рассеивание |
энергии |
коле- |
Рис. 3.20. Зависимость частоты колебаний трубопровода с компен сатором от длины консоли жест кой трубы 0 23 мм
Рис. 3.21. График зависимости декремента колебаний от давле ния жидкости:
dy—внутренний диаметр трубопровода: / —длина компенсационной вставки
баний в этом случае происходит в основном га счет трения в оплетке и оплетки о гофр. Величина декремента колебаніи'! такого трубопровода у= 0,2—0,9 (рис. 3.21), что приводит к су щественному снижению вибронапряжеиий, в резонансном ре жиме. На интенсивность затухания колебаний существенное влияние оказывает давление жидкости, а также расположение компенсатора относительно консолей.
114
При симметричном расположении относительно консолей жесткой трубы демпфирование колебаний имеет минимальное значение. Его возрастание происходит со смещением гибкого компенсатора.
При колебаниях трубопровода с гибким компенсатором на блюдаются биения, обусловленные собственной частотой сво бодных колебаний компенсатора и консолей, числовые значения которых различны. Частота собственных колебаний сильфона может быть рассчитана по формуле, предложенной инженером Кондратовым Н. С. [19]:
где п — число гофров;
b — половина шага гофра;
Q |
_ _ _______ Л |
ß §3 |
' |
D 2 ~É 1_________ |
У |
3 ( 1 — Л>2) |
|
( 1 + £ > 2 ) І п £ > — £>2 + 1 |
— угловая жесткость кольцевой пластины; где D= Djd;
б— толщина стенки кольцевой пластины
а—
P = Q S ^ 3 + flf3 + ö l z i £ L ^ + _ ^ K ( £ ) 4 |
d ' ) . |
|
Экспериментальная проверка показала, что разница между расчетными и фактическими значениями резонансных частот не превышает 5—7%.
15. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ДЕМПФЕРЫ
Анализ амплитудно-частотных характеристик трубопроводов гидравлических и топливных систем летательных аппаратов при проведении летных, наземных и лабораторных испытаний пока зал, что высокие уровни напряжений в трубопроводах возни кают в двух случаях:
1)в случае, когда колебания опоры передаются колебаниям трубопровода;
2)в случае, когда колебания пульсирующего потока жидко сти возбуждают свободные колебания трубопроводов.
Впервом случае борьба с уменьшением вибронапряженнн ведется установкой упруго-демпфирующих опор и зажимов, во втором случае — уменьшением амплитуды колебаний пульсиру ющего потока жидкости.
115
Борьба с уменьшением амплитуды пульсирующего потока жидкости ведется в основном в следующих направлениях:
—увеличение декремента колебаний;
—отстройка .от резонанса столба жидкости;
—увеличением потерь энергии колебании пульсирующего по тока жидкости за счет расширения;
—увеличением потерь энергии пульсирующего потока за счет увеличения сопротивлений.
Увеличение декремента колебаний достигается установкой в систему гибких металлических или резиновых трубопроводов. Для резиновых трубопроводов у= 3—5, для металлических рука вов Y^l.O. Эффективность демпфирования колебаний в этом слу чае достигается при условии наличия незначительных колебании гибких трубопроводов (амплитудное значение о ^ І мм). Увели чение амплитуды и частоты колебаний гибких трубопроводов приводит к генерированию пли пульсации давления и скорости в потоке и, следовательно, гашения пульсации потока может не произойти.
Отстройка от резонанса столба жидкости производится изме нением расстояния между агрегатами, изменением длины п кон фигурации трубопроводов, а также установкой тупиковых ответ влений в магистралях для искажения формы импульса пульси рующего потока жидкости.
Приближенно частоту собственных колебаний столба жид кости в трубопроводе можно оценить по формуле
а
Но так как этой формулой не учитываются конструктивнотехнологические факторы изготовления и трассировки трубопро водов и присоединенной арматуры, уточнять частоту необходи мо экспериментально.
При отстройке частоты необходимо, чтобы частота свободных колебаний столба жидкости отличалась в сторону увеличения от частоты свободных колебаний трубопроводов на 20—30%. Если отношение частоты шж/со кратно 1 или 1/2, то колебания столба жидкости могут вызывать резонансные колебания трубо проводов.
Вторая отстройка по частоте производится изменением часто ты генератора колебаний. Частоты пульсирующего потока жид кости в трубопроводе должны быть не менее чем на 15% ниже частоты резонанса столба жидкости.
Как показывают исследования, амплитуда колебаний давле ния при резонансе возрастает примерно в 12—20 раз. В этом случае, даже если трубопровод совершает вынужденные коле бания, значения коэффициента динамического возбуждения ß находятся в пределах от 2-х до 15. При амплитуде потока жид-
116
кости в трубопроводе Ра = 5 кгс/см2 в контрольном сечении тру бопровода могут возбуждаться переменные напряжения от 5до 15 кгс/мм2, что, естественно, приведет к быстрому разрушению трубопровода в соединении или заделке.
Увеличение потерь энергии колебаний пульсирующего потока жидкости за счет расширения достигается установкой гидро пневматических аккумуляторов. В этом случае используется эф фект площадей, так как амплитуда пульсации давления обрат но пропорциональна площади поперечного сечения в сложном трубопроводе. С другой стороны, гашение пульсирующего пото ка жидкости происходит за счет поглощения-энергии колебаний упругой газовой средой. Это свойство аналогично свойству по глощения Энергии колебаний в упругих элементах — гибких трубопроводах.
Увеличение потерь энергии пульсирующего потока за счет сопротивления достигается установкой в систему различного рода ограничителей расхода. Такие'агрегаты обычно устанавли ваются перед датчиками чувствительных приборов, а также пе ред рабочими элементами, задающими определенные расходы жидкостей в расходно-регулирующей аппаратуре, т. е. в тех участках гидросистем, в которых расходы жидкости очень малы.
Некоторые типы гасителей пульсации колебаний давления пульсирующего потока жидкости могут устанавливаться в маги стралях с большими расходами жидкости, например, в сливных магистралях, в магистралях уборки и выпуска шасси и закрыл ков и в других системах.
Обычно вопросы демпфирования амплитудных характеристик пульсирующего потока жидкости решаются использованием всех или нескольких видов гасителей.
АГРЕГАТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ГАШЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ПОТОКІА ЖИДКОСТИ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Гидроаккумулятор используется в гидросистемах самолетов Ту-104, АН-12 для уменьшения амплитудных значений пульси рующего потока жидкости, создаваемого поршневыми насосами переменной производительности. Гидроаккумулятор установлен в магистрали источников давления. Гашение пульсирующего пото ка жидкости происходит во-первых, за счет дросселирования потока в отверстиях, выполненных в нижней половине крышки, во-вторых, за счет изменения в потоке протекающей жидкости.
При увеличении площади живого сечения потока жидкости часть энергии расходуется на'расширение. При исследовании эффективности гашения пульсации потока в гидросистеме само лета Ту-104 было установлено, что эффективность такого типа гасителей пульсации зависит от величины давления в газовой полости аккумулятора [11]. Чем ниже давление, тем выше эффек-
117
тпвпость гашения пульсации. Это, очевидно, объясняется тем об стоятельством, что при наличии давления в газовой полости пос ле сжатия газа, вызванного импульсом давления, происходит его расширение, которое приводит к возникновению волны дав ления в гидравлической полости аккумулятора. В трубопроводе, соединяющем гпдроаккумулятор с магистралью высокого давле ния гидросистемы импульс давления увеличивается по правилу площадей при гидравлическом ударе. При отсутствии давления в газовой полости возникновения обратной волны не наблюда ется, так как отсутствует источник ее возбуждения.
Гаситель гидроудара предназначен для увеличения времени выравнивания давления при соединении полостей пли каналов (трубопроводов) с различными уровнями (значениями) давле
ний. |
давления от 0 до |
|
Агрегат обеспечивает плавное повышение |
||
220 кгс/см2 за 0,15—0,5 с при расходах рабочей |
жидкости от |
|
6 до 50 л/мпн. |
гашения пульсаций |
|
Дроссель игольчатый используется для |
||
давления перед манометром. Гашение пульсации |
производится |
путем гашения энергии гидроудара за счет сопротивления дрос селя. Регулирование сопротивления осуществляется иглой, пере крывающей сечение проходного канала от системы к манометру.
К нерегулируемым сопротивлениям, рассеивающим энергию гидравлических импульсов, относятся пластинчатые дроссели. Энергия пульсации давления и скорости потока гасится за счет потерь на расширение и локализацию гидравлических импульсов в камерах между дроссельными шайбами. Такого типа гасители гидроуд'ара, очень простые по своей конструкции, могут исполь зоваться в широком диапазоне расходов и давлений.
Пластинчатые дроссели могут использоваться также для га шения пульсации давления перед манометром. Подобные дрос сели для предохранения манометров от гидравлических ударов используются на самолете ИЛ-14. Дросселирующий пакет состо ит из шайбы толщиной 0,15 мм, в которых просверлено по два отверстия диаметром 0,25 мм.
Для сглаживания резкого изменения давления, чтобы предот вратить гидроудар, применяются гидравлические демпферы од ностороннего действия или демпфер аналогичного типа, но с на бором дроссельных шайб.
Глава IV. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
1. ГИБКОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ
Изготовление деталей из труб сопровождается гибкой трубопро вода и развальцовкой его концов, если соединение выполняется по наружному конусу, либо приваркой ниппелей, если соедине ние выполняется'по внутреннему конусу.
Гибка трубы сопровождается в общем случае деформацией не только в плоскости гиба, но и в плоскости, перпендикулярной плоскости гиба (поперечное сечение).
Р а с т я ж е н и е
Рассмотрим схёму действующих сил на участок трубопровода подвергающийся гибке (рис. 4.1). В процессе гибки под дейст вием изгибающего момента наружные волокна трубы растяги ваются, а внутренние сжимаются. Чем меньше радиус изгиба, тем значительнее будут деформации волокон трубы.
Деформация продольных волокон приводит к деформации (сплющиванию) поперечного сечения трубы и к смещению нейт ральной оси в направлении центра кривизны.
Обычно предполагают, что сечение изгибаемого тела остается постоянным. Это предположение для изогнутых труб будет тем
119