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

вость расчетным путем не представляется возможным. В связи с этим, необходимо рекомендовать унификацию элементов дета­ лей из труб по радиусам гиба, углам гиба и коэффициентам овальности, как это уже сделано для труб больших диаметров (от 50 до 600 мм) в общем-машиностроении. Например, реко­ мендуется применять изогнутые трубы радиусом гиба от одного до четырех диаметров при углах гиба, равных 45°, 90° и 180° со­ ответственно.

Переход к унифицированным элементам позволяет резко уп­ ростить расчет и повысить надежность трубопроводных систем. Кроме этого, унификация дает возможность наладить качествен­ ный серийный выпуск деталей из труб специальными трубогпбочными станками, что резко снизит затраты на их изготовление. Монтаж таких деталей из труб не будет представлять особых трудностей и будет намного легче, чем в настоящее время.

Затрудняется оценка динамической устойчивости и прочности труб, если по конструктивным соображениям невозможно вы­ полнить элементы с унифицированными рекомендуемыми радиу­ сами и углами гиба.

Не рекомендуется гнуть трубопроводы радиусами,гиба менее трех радиусов, так как при малых радиусах гиба получается значительное утонение стенки и, следовательно, значительное ослабление прочности в этом участке.

Для трубопроводов гидропередач применяют бесшовные хо­ лоднотянутые и холоднокатаные трубы из различных сталей, ме­ ди, алюминиевых и титановых сплавов.

Наибольшее применение получили трубы из сталей Х18НІ0Т (1Х18Н9Т), 0Х18Н10Т, 0Х18Н12Т, Х15Н5Д2Т (ВНС-2), сталь 20А, титановых (ОТ4—0; 7М) и алюминиевых сплавов (АМг2М) с толщиной до 0,5—1,5 мм диаметром от 6 до 40 мм.

Трубы изготовляются с различной степенью точности (обыч­ ная, повышенная, высокая), которая регламентируется ГОСТом и зависит от диаметра и толщины стенки.

Трубы из нержавеющих сталей поставляются по ГОСТ 9941— 62, а углеродистые трубы по ГОСТ 8733—58 и ГОСТ 8734—58 и по дополнительным требованиям для всех сталей, согласно ЧМТУ (Укр. НИТИ 586—64). Высокопрочная нержавеющая сталь марки Х15Н5Д2Т поставляется по ЧМТУЗ-111—68.

Благодаря высокому пределу прочности (ов = 90—105 кгс/мм2) этой марки стали, можно ее использовать с уменьшенной толщи­ ной стенки по сравнению с трубами из стали Х18Н10Т (ал = = 55 кгс/мм2), что при равной прочности дает значительное сни­ жение веса систем.

Все детали из труб, изготовляемые из различных сталей, от­ носятся к трубопроводам ответственного назначения, напри­ мер, для напорных, тормозных участков гидросистем, уборки и выпуска шасси и'других участков систем самолетов.

10

Трубы из алюминиевого сплава, применяемые в системах, из­ готовляются из марок АМГ и АМЦ. Чаще применяются трубы из сплава АМГ.

Детали из труб алюминиевого сплава применяются по ГОСТ 1947—56 и ГОСТ 4773—49. Эти детали из труб применяются преимущественно для топливных и масляных коммуникацион­ ных липни, а также в сливных и дренажных линиях гидро­ систем.

Медные трубы поставляются по ГОСТ 617—53 и применяются для кислородных систем самолетов.

Бесшовные титановые трубы изготовляются из сплавов ВТ1, ОТ4-0 и ОТ4-1 и 7М. Наибольшее применение в настоящее вре­ мя получили трубы из сплавов ОТ4-0 и 7М. Они применяются в топливных, воздушных и масляных системах самолетов.

Трубы из титанового сплава ОТ4-0 и ОТ4-1 изготовляются по АМТУЭ475Э4—67, а марки 7М по МРТУ-14-4—65. Приме­ нение трубопроводов из титановых сплавов при равной прочно­ сти с трубами из стали Х18Н10Т также дает значительное сни­ жение веса систем.

3. ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ ГИДРОСИСТЕМ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Соединения трубопроводов гидрогазовых систем и двигателей

-должны отвечать следующим требованиям:

—обеспечивать максимальную вибропрочность;

—выдерживать неограниченное количество переборок с обес­ печением герметичности;

—иметь минимальный вес;

—при монтаже и демонтаже не допускать пластических де­ формаций трубопроводов;

—быть технологичными в изготовлении и взаимозаменяемы­

ми; ' .

— трудоемкость работ при их изготовлении должна быть ми­ нимальной.

В настоящее время в авиастроении получили широкое распро­ странение следующие соединения трубопроводов:

— разъемные, неподвижные: а) по наружному конусу; б) по внутреннему конусу; в) с обжатой гайкой;

г) самоуплотняющие или соединение с упругими элемен­ тами;

д).бесконусные соединения;

—разъемные, подвижные;

—неразъемные.

Соединение по наружному конусу получило очень широкое распространение в общем машиностроении, авиастроении и т. д.

11

Опо имеет минимальную трудоемкость по сравнению с другими типами соединении в изготовлении и обладает удовлетворитель­ ными прочностными характеристиками.

Второй тип соединений, т. е. по внутреннему конусу также сравнительно давно получил широкое применение при проекти­ ровании и изготовлении гидропередач, в общем и химическом Машиностроении, на транспорте, в двигателестроении и т. п.

Соединения с упругими элементами, с обжатой гайкой, беско­ нусные соединения и др. нашли в настоящее время широкое при­ менение в самолетостроении за рубежом. Они появились в прак­ тике проектирования и изготовления недавно, но благодаря высокой виброустойчнвости и обеспечению повышенной герме­ тичности по сравнению с первыми двумя типами получают все более и более широкое распространение и в нашей отрасли [2, 29, 31].

К разъемным подвижным соединениям всех типов относятся соединения, контактные поверхности которых во время работы перемещаются друг относительно друга (совершают осевые и угловые перемещения) без нарушения герметичности, а это поз­ воляет компенсировать осевые и угловые неточности, возникаю­ щие при монтаже и при эксплуатационных деформациях.

Надежность всех видов неразъемных паяных и сварных соеди­ нений значительно выше разъемных соединений, применяемых в настоящее время. Это наиболее простые по конструкции сое­ динения, легкие (вес по сравнению с резьбовыми фитингами в шесть раз меньше, а по сравнению с фланцевыми соединения­ ми в 15—20 раз), герметичные, с очень высокими рабочими ха­ рактеристиками.

1. СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ПО НАРУЖНОМУ КОНУСУ

Соединения трубопроводов по наружному конусу (рис. 1.1) име­ ют следующие основные элементы: штуцер с конической пли сферической поверхностью 1 (наружный конус), накидную гайку 2, 8 и 10, ниппель с различной геометрической формой 3, 9, 11 и 5, трубопровод 4 с различной геометрической формой растру­ ба 4 и 7. В собранном виде внутренняя поверхность конца трубы плотно прилегает к наружной конусной или сферической поверх­ ностям штуцера, обеспечивая герметизацию соединения. Армату­ ра соединения, имея различные сферические поверхности (шту­ цера, ниппели 7 и 9 и др.), обеспечивает более надежную герме­ тизацию соединения по сравнению с конусными поверхностями.

Герметизация соединения обеспечивается также качеством об работки прилегающих поверхностей, их жесткостью и соответст­ вующей затяжкой накидной гайки.

Углы раструба различных типов соединений трубопроводов по наружному конусу находятся в пределах 30, 60 и 74°. В зарубеж-

12

Рис. J.I. Схемы соединении трубопроводов по наружному конусу:

ченый

13

ных конструкциях распространены соединения трубопроводов с углами раструба 30 и 60°. В основном все современные соеди­

Изготовление раструба на трубе осуществляется нескольки­ ми способами: развальцовкой трубы на конус, разбортовкой при помощи пневмомолотка или штампов, точением на станках (см. рис. І.із) II получением сферического раструба из материала трубы в штампах (см. рис. 1.1, д) — безниппелы-юе соеди­ нение.

Существенным недостатком рассматриваемых конструкций со­ единений трубопроводов по наружному конусу является относи­ тельно большое линейное перемещение монтируемого конца тру­ бопровода, что может привести к резкому снижению усталостной прочности самого трубопровода.

Кроме этого, слишком длинная зона раструба ведет к чрез­ мерному увеличению поверхности герметизации стыков трубопро­ водов. Следовательно, момент затяжки таких соединений дол­ жен быть значительно выше, чем у соединений со сферической поверхностью ниппеля или раструба.

Если в рассматриваемом соединении длину раструба умень­ шить, то это может привести к нарушению герметичности сое­ динения при осевых перемещениях трубопровода вследствие смятия раструба и вытягивания трубы из соединения под дей­ ствием эксплуатационных и температурных нагрузок.

Как мы уже отметили, в настоящее время в самолетострое­ нии широко применяются соединения, угол раструба у которых равен 74°. Момент затяжки накидных гаек, обеспечивающий гер­ метичность соединения, у данных соединений значительно ниже, особенно, если в соединительной арматуре имеются сферические поверхности (см. рис. 1.1,.б, д, е, ж), чем у соединений трубо­ проводов с прямолинейной образующей раструба. Данное соеди­ нение трубопроводов позволяет производить большое количест­ во переборок, не снижая усталостной прочности соединений и не вызывая пластических деформаций в соединениях.

К недостаткам рассматриваемых соединений по наружному конусу следует отнести наличие большого зазора между ниппе­ лем и трубопроводом (6= 0,4—0,8 мм), что приводит к снижению прочности этих соединений.

В настоящее время в самолетостроении внедряются соедине­ ния по ГОСТ 13954—68 и ГОСТ 13977—68.

Угол раструба по этим ГОСТам равен 74° по наружной по­ верхности. Зазор между ниппелем и трубопроводом достаточно мал и равен от 0,05 до 0,15 мм.

14

При таком незначительном зазоре и достаточно большой же­ сткости ниппеля опасным участком становится место трубопро­ вода, граничащее с торцем ниппеля. Чем меньше зазор, тем бо­ лее напряженным оказывается этот участок. Для снижения на­ пряжений на этом участке необходимо применять соединения трубопроводов с конической поверхностью хвостовика ниппеля (см. рис: 1.1, а, б, ж).

Все вышеуказанные соединения трубопроводов по наружному конусу с увеличенным ушлом раструба увеличивают вес армату­ ры, сравнимый с весом арматуры соединения трубопроводов по внутреннему конусу, а также с весом самоуплотняющих соедине­ ний с упругими элементами.

У соединений трубопроводов по наружному конусу с внутрен­ ним. ниппелем (ниппелем без юбки, см. рис. 1,1, б) может происходить заедание ниппеля в накидной гайке, что значительно уменьшает количество переборок.

С целью снижения монтажных напряжений от перекоса при­ меняют конические соединения, причем головку штуцера выпол­ няют в виде сферы (см. рис. 1.1, д). Наличие сферы позволяет компенсировать перекос в соединениях до выбора зазора между накидной гайкой и трубой. Для увеличения компенсирующей способности применяют специальные ниппели, полученные холод­ ной высадкой (см. рис. 1.1, ж). Наличие сферических поверхно­ стей на ниппеле и штуцере увеличивает компенсационную спо­ собность соединения, что позволяет снизить монтажные напря­ жения до'минимума.

Заслуживает внимания применение удлиненных гаек-ниппелей (см. рис. 1.1, е). Использование гаек-ниппелей с минимальными значениями «б» позволяет в некоторой степени повысить пре­ дел усталости трубопроводов, так как опасная зона перемещает­ ся от места заделки в зону меньшей концентрации напряжений (зона 1— 1).

Для коммуникаций, работающих в зонах высоких температур и вибраций, а также в местах труднодоступного монтажа вме­ сто сварных соединений на коллекторах, угольниках и т. п. при­ меняют ниппельные соединения с обжатой гайкой (см. рис. 1.1,з).

Все перечисленные соединения трубопроводов требуют точных размеров по геометрии соединительной арматуры, а также ма­ лых допусков на неточность при их монтаже. Завышение этих допусков прйводит к повышенным монтажным напряжениям, а. следовательно к снижению их надежности и долговечности.

5. СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ПО ВНУТРЕННЕМУ КОНУСУ

Если у соединений трубопроводов по наружному конусу произ­ водят деформирование концов трубопроводов (развальцовка,

15

разбортовка іі т. д.), то соединения трубопроводов по внутренне­ му конусу (рис. 1.2) осуществляется пайкой или сваркой.

Пайка соединений трубопроводов осуществляется токами вы­ сокой частоты (т. в. ч.), а сварка — газовой горелкой.

Сварка газовой горелкой соединении трубопроводов, изготов­ ленных из сталей Х18Н10Т и 20А, осуществляется припоем 81

Рис. 1.2. Схемы соединении трубопроводов по внутреннему конусу:

й—с полусферическим ниппелем с цилиндрическим хвостовиком: б—с полусфе­ рическим ниппелем и с коническим хвостовиком; я—с полусферическим ниппе­ лем и с косым срезом хвостовика; с'—со сферическим ниппелем; о'—с полусфери­ ческим ниппелем, сваренным с трубопроводом встык

Трубопровод из стали Х18Н10Т перед сваркой подвергается термообработке: отжиг в течение одного часа при 7 = 680° С

ипосле пайки 7=850° С.

Трубопровод из стали 20А также подвергается отжигу в чу­

гунной стружке до и после аварки при 7=680° С.

Пайка токами высокой частоты осуществляется жаропрочны­ ми припоями ВПр-4 и ПЖ-45-81 (сплав на медно-никелевой ос­ нове) без последующей термообработки. При пайке сплавом ВПр-4 флюс можно не применять. При пайке припой создает плавный переход от трубопровода к арматуре. Величина галтели «б» в пределах 2—5 мм.

Соединения трубопроводов по внутреннему конусу выполняют­ ся с различной конфигурацией ниппеля (см. рис. 1.2, а, б, в).

Трудоемкость изготовления соединения трубопроводов с кони­ ческим ниппелем и прямым срезом, а также с косым срезом (см. рис. 1.2, б, в) выше, чем соединения с цилиндрическим ниппелем и прямым срезом, (см. рис. 1.2, а, г).

Соединения трубопроводов, изображенные на рис. 1.2, а, б, г, должны быть равнопрочными, так как концентраторы напряже­ ния у данных соединений ^одинаковы.

Соединения трубопроводов, сваренные газовой горелкой «івстык», не нашли широкого применения в гидрогазовых систе­ мах самолетов из-за низкой усталостной прочности (см. рис. 1.2, <3).

Все перечисленные соединения трубопроводов выдерживают большое количество переборок с обеспечением герметичности; с этой точки зрения они гораздо надежнее, чем соединения тру­ бопроводов по наружному конусу.

Материалы для этих соединений выбирают обычно исходя из условий работы трубопроводов. Соединения такого типа исполь-

'зуют для различных проходных сечений трубопроводов вплоть до диаметра 200—300 мм. Ниппели получают, как правило, то­ чением, реже штамповкой или холодной высадкой.

Соединения со сферическими ниппелями (см. рис. 1.2, а) мо­ гут компенсировать монтажные отклонения по углу до 5°. Они рассчитываются на вакуум, высокие давления и очень широкий диапазон температур от —160° до +650° С.

6.САМОУПЛОТНЯЮЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

СУПРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

В СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ АРМАТУРЕ

Самоуплотняющие соединения трубопроводов с упругими эле­ ментами (рис. 1.3) применяются преимущественно в системах вы­ сокого давления, расположенных в зонах высоких температур.

Следует отметить, что в условиях резкой смены температур­ ного режима явление расслабления присуще всем видам соеди­ нений трубопроводов, не обладающим достаточной компенсиру­ ющей способностью. Результаты исследований различных сое­ динений в подобных условиях доказывают необходимость установки компенсирующих элементов в самом соединении, если нет возможности ликвидировать разъемное соединение, пере­ нести его в менее нагретую зону, уменьшить тепловой поток.

Перечисленные выше способы не всегда приемлемы на прак­ тике, так как они связаны со значительными трудностями. Поэ­ тому конструктивное решение соединения с введением упругого элемента более целесообразно. Непременным условием надеж­ ной работы такого элемента является сохранение упругой харак­ теристики в рабочих условиях и при тепловом ударе, благодаря компенсирующей способности, предотвращающей разгерметиза­ цию стыка.

Представленные конструкции соединений с упругими элемен­ тами должны быть выполнены с затяжкой до упора без пласти­ ческой деформации сферического элемента. Это дает возмож­ ность подбирать необходимую величину упругой . прфпруся^ии

библію тона CCXF*

Э К З Е М П Л Я Р

для компенсации расслабления и предохранить от разрушения при затяжке соединения обычными гаечными ключами, а также позволяет отказаться от применения динамометрических ключей. Таким образом, введение в соединения трубопроводов упругого элемента позволяет ликвидировать течи в условиях тепло­ вого удара, не прибегая к переделке жидкостных коммуникаций в горячих зонах на существующих конструкциях машин.

а)

Рис. 1.3. Схемы самоуплотняющих соединении трубопроводов с упругими элементами:

я—со сферической развальцовкой: б—с двойной развальцовкой; в—со штампованным сферическим концом трубопровода (безниппельный);

г—с врезающимся сферическим кольцом (СВК); б—паяное с упругим ниппелем

Внутреннее давление среды, распирающее внутреннюю поверх­ ность ниппеля у соединений типа б, в, .г, д (см. рис. 1.3) способ­ ствует герметизации, т. е. создает дополнительную силу, прижи­ мающую ниппель к штуцеру, следовательно, снижает потребную осевую силу при затяжке.

В настоящее время широкое распространение получило соеди­ нение трубопроводов по наружному конусу со сферической раз­ вальцовкой (см. рис. 1.3, а). Это соединение имеет наименьшую трудоемкость, простое в изготовлении по сравнению со всеми ти­ пами соединений с упругими элементами и почти аналогично

18

соединению трубопроводов (ГОСТ 13594—68) с конической раз­ вальцовкой.

В последнее время получает распространение двойная раз­ вальцовка или развальцовка с отбортовкой (см. рис. 1.3, б). Такая развальцовка выполняется преимущественно на трубопро­ водах из цветных сплавов, меди и алюминия и частично из не­ ржавеющих сталей.

По сообщениям ряда зарубежных фирм, соединения с двой­ ной развальцовкой помимо повышенной прочности на разрыв от внутреннего давления имеют более чистую контактную поверх­ ность и допускают затяжку моментом в два раза меньше, чем момент затяжки для простой развальцовки. Следует отметить, что такая развальцовка труб увеличивает трудоемкость изготов­ ления соединений, а также не способствует увеличению предела выносливости участка раструба на радиусе перехода цилиндри­ ческой части трубы в коническую.

В отдельных отраслях промышленности внедрен новый способ изготовления раструба трубы со сферической поверхностью (см. рис. 1.3, в) путем холодной высадки их из материала трубопро­ вода в специальных штампах. С целью обеспечения заданных геометрических размеров сферической поверхности применяют два штампа: для набора материала и для высадки конца тру­ бопровода.

Соединения со сферическими поверхностями на конце трубо­ провода могут компенсировать монтажные отклонения по углу до 5°. Оми рассчитываются на вакуум, высокие давления и очень широкий диапазон температур от —160° до +650° С.

Применение соединений трубопроводов по внутреннему конусу с высадным концом трубы позволяет снизить трудоемкость изго­ товления. Кроме того, эти соединения имеют наименьший вес (отсутствует ниппель, нет пайки или сварки) из всех перечислен­ ных выше видов соединений.

В гидравлических системах с трубопроводами из титановых сплавов и высокопрочных нержавеющих сталей в последнее вре­ мя успешно внедряются соединения трубопроводов по внутрен­ нему конусу с врезающимся кольцом — СВК (см. рис. 1.3, г) [2]. Трубы из этих материалов отличаются повышенной чувствитель­ ностью к концентрации напряжений, и попытки использовать для них существующие типы соединений не увенчались успехом из-за низкой усталостной прочности. По этой причине и было разра­ ботано СВК, в котором отсутствует ярко выраженный концентра­ тор напряжения. Сборка соединения производится с помощью раскатки трубы изнутри специальным роликовым раскатником до обеспечения сцепления трубы с зубьями врезающегося коль­ ца. При проникновении зубьев в поверхность трубы происходит не перерезание волокон материала трубы, а их деформирование. В процессе сборки ролики инструмента упрочняют трубу и по-

19