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

Используя выражения для полного гидравлического удара и соотношение Т0 — 21/а, получим

1уІѴ0

ЛРул (2. 12)

ТК

Если выразить / — длину трубопровода в м, w — расход жидкости в л/мин и d — внутренний диаметр трубопровода в мм, то

личины и зависящий от плотности у используемой жидкости.

5. НАГРУЗКИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА ж и д к о с т и

Пульсация давления и скорости в потоке жидкости создается насосами. Поскольку периодическое изменение давления жидко­ сти в трубопроводе может вызвать его поперечные колебания, то анализ амплитудно-частотных характеристик представляет зна­ чительный интерес.

Исследования показали, что амплитуда давления в значи­ тельной степени зависит от рабочего давления жидкости в си­ стеме, а также от частоты пульсации'давления.

Максимальные зарегистрированные значения амплитуд пуль­ сации давления составили для семиплунжерного насоса Ра — = 12 кгс/см2 и для девятиплунжерного Ра = 5кгс/см2. Обработка экспериментальных данных на нормально-вероятностной бумаге показала, что при 0,5% вероятности появления события ампли­

При дальнейшем увеличении Рраб Ра несколько снижается. Это обстоятельство связано очевидно с упругими характеристиками рабочей жикости.

С увеличением частоты пульсации давления увеличение амп­ литуды пульсации давления наблюдается в интервале от 50 до 300 Гц. Дальнейшее увеличение частоты приводит к снижению Ра в 1,5—2 раза (при Q^600 Гц).

Источниками пульсирующего потока жидкости могут слу­ жить также периодически срабатывающие агрегаты, такие, на­ пример, как краны растормаживания тормозных устройств шас­ си. Амплитуды колебания давления в- этом случае могут дости­ гать до 50—60 кгс/см2 при Q = 40—-100 Гц.

40

Такие величины Ра являются недопустимыми. В этих случаях необходимо использование гасителей колебании давления.

При некоторых условиях возможно возникновение внутренне­ го резонанса в системе, который может существенно изменить давление жидкости в трубопроводах, а также "привести к возбуж­ дению резонансных колебании отдельных участков трубопрово-

'дов.

Вцелях изучения этого явления в Советском Союзе [35] и за рубежом проведен ряд исследований. На специально спроектиро­ ванной установке с пульсатором было проведено испытание тру­ бопроводов, заполненных жидкостью и составленных из прямо­ линейных и криволинейных участков.

При испытаниях было уделено внимание резонансным явле­ ниям в трубопроводах, общему акустическому сопротивлению (импедансу) п затуханию единичного импульса давления вслед­ ствие действия рассеивающих сил в жидкости.

Для оценки динамических характеристик сложной гидравли­ ческой системы авторы изучали характеристики ее простых со­ ставных элементов, в частности, прямолинейных и криволиней­ ных труб.

Вначале проводилось испытание простейшей неразветтленнон системы, состоящей из прямого трубопровода, заполненного жидкостью. При следующих испытаниях к прямолинейной трубе присоединяли патрубок сложной конфигурации и испытания пов­ торяли, а полученные результаты, сравнивали между собой. Та­ ким образом определяли влияние изогнутых участков на дина­ мические характеристики трубопроводов.

Первую резонансную частоту колебаний жидкости в трубо­ проводе можно определить с учетом того, что время одного цик­ ла изменения давления

а

Отсюда

. (2- 15)

где а — скорость распространения импульсов давления в трубо­ проводе;

/ — длина трубопровода.

Резонансные явления в трубопроводе могут иметь место при пульсациях давления, создаваемых источником с частотами со„, ЗсОл, 5tön и т. д.

Результаты экспериментов показаны на рис. 2.5. По оси ор­ динат отложено значение акустического импеданса, определяе­ мого как отношение давления в некоторой точке жидкости к ско­

41

рости частиц, движущихся под действием этого давления, т. е.

Из данных на рис. 2.5 видно, что абсолютные значения им­ педанса при первой и второй резонансных частотах достигают конечных значений, а не возрастают до бесконечности. Это обьясняется наличием рассеяния энергии колебаний в жидкости.

При втором опыте в начале трубы был установлен патрубок в виде диффузора с уменьшенным поперечным сечением.

42

Это привело к некоторому увеличению значений резонансных частот (см. рис. 2.5, б), а пики импеданса уменьшились. Особен­ но уменьшилась величина второго импульса импеданса при ча­ стоте 110,2 Гд. Полученные изменения можно объяснить влия­ нием отраженной волны, возникающей в патрубке.

При третьем эксперименте был установлен криволинейный 5- образный участок трубопровода (см. рис. 2.5, в), что способство­ вало значительному уменьшению пиков импеданса в области резонансных частот.

Приведенные результаты получены при рабочем давлении в жидкости, равном нулю. Повышение давления оказывает значи­ тельное влияние на импеданс.

Анализ показывает, что с увеличением давления при собст-

р

венной частоте— = 1 происходит значительное увеличение пмпе-

СО

дапса и незначительное уменьшение его при второй резонансной

р

частоте— = 2.

ш

При определении некоторых динамических характеристик си­ стемы необходимо знать ее рассеивающие свойства. Для этой цели определяют логарифмический декремент затухания в си­ стеме.

Результаты экспериментального определения логарифмическо­ го декремента затухания колебания давления в жидкости АМГ10 в трубопроводах различного диаметра приведены на графи­

ке (рис. 2.6), Величина декремента затухания возрастает с уменьшением

внутреннего диаметра трубопроводов. В данном случае получе­ на его суммарная величина, учитывающая внутреннее трение в жидкости, трение жидкости о стенку трубопровода, внутрен­ нее трение в материале стенок трубопровода, совершающего ко­ лебания вместе с заключенной в нем жидкостью, затухание ко­ лебаний вследствие рассеяния энергии на сжатие пузырьков воздуха, находящегося в жидкости.

Учитывая исследования [3, 18], полученные результаты можно объяснить относительным возрастанием трения жидкости о стен­ ки трубопровода.

В качестве сравнения на графике1приведена точка, получен­ ная при испытаниях для трубопровода размером 15x1,0 мм из стали 20А, установленного в гидравлической системе само­ лета.-

Следует отметить, что на величину затухания особенно силь­ ное влияние оказывает присутствие пузырьков воздуха в жид­ кости. Так, например, при определении частотных характеристик прямых трубопроводов, проведенных при атмосферном давлении, было отмечено, что в начале опыта вследствие наличия пузырь­ ков воздуха в жидкости пульсация давления была на 25% ниже, чем при дальнейших испытаниях.

43

В результате проведенных экспериментов можно сделать вы­ вод, что резонансные частоты простой неразветвленноіі трубо­

проводной системы можно рассчитывать с достаточной степенью точности.

Рис. 2.6. Экспериментальная зависимость декремента затуха­ ния у от внутреннего диаметра стального трубопровода

Величину импеданса трубопроводной системы можно опреде­ лить при помощи экспериментов.

6. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НАГРУЗК'И

В процессе эксплуатации подавляющего большинства гидравли­ ческих передач в конструкции, к которой они крепятся, темпе­ ратура трубопроводов непрерывно меняется. Так, например, тем­ пература рабочей жидкости и трубопроводов на современных транспортных самолетах в зависимости от времени года пли трассы полета может меняться в пределах от —60° С до + 120° С, причем перепад температуры между каркасом фюзеляжа и тру­ бопроводом АТ на земле и в полете может достигать 140°—160°.

Еще более высокие значения температур достигаются на сверхзвуковых самолетах, у которых происходит нагрев фюзеля­ жа за счет аэродинамического нагрева, так как при больших скоростях полета нагревание тела вследствие торможения возду­ ха может быть весьма значительным.

Температура фюзеляжа может быть приближенно подсчитана по следующей формуле

где Тф — температура на поверхности фюзеляжа вследствие аэро­ динамического нагрева;

Т0— температура окружающего воздуха; V.— скорость полета.

На рис. 2.7 представлена зависимость повышения температу ры трубопроводов в зоне гидравлического насоса в зависимости от времени полета, записанная на одном из сверхзвуковых само­ летов. Из представленного графика можно судить, что повыше­ ние температуры происходит до 200—220° С. При этом темпера­ тура жидкости в трубопроводе не превышала 120° С. В данном случае наблюдался также весьма ощутительный перепад темпе­ ратур между конструкцией и трубопроводом в 100° С.

44

Как известно, при нагреве удлинение металлов пропорцио­ нально длине и приблизительно пропорционально температуре, так как коэффициент температурного удлинения в свою очередь зависит от температуры. Однако это отклонение от закона про­ порциональности весьма незначительно и поэтому температурные удлинения принимаются пропорциональными длине и изменению температуры. Система трубопроводов любой конфигурации удли­ няется (сокращается) в направлении прямой, соединяющей ее конечные точки. Величина температурного удлинения равняется произведению коэффициента температурного удлинения на раз-

Рис. 2.7. График зависимости изменения температуры трубопроводов в зоне насоса на сверхзвуковом са­ молете

ность температур и на расстояние по прямой между конечными точками системы /0, т. е.

которой сделаны трубопроводы, и дуралюминошых сплавов, из которых изготовлен силовой набор и обшивка, весьма различ­ ны, то в трубопроводах могут возникнуть весьма значительные нзгибные и растягивающие напряжения.

В первом случае, когда температура обшивки ниже темпера­ туры трубопровода, база между концами трубопровода сокраща­ ется по сравнению с номинальной, а сам трубопровод удлиняет­ ся по сравнению с номинальными размерами. В этом случае про­ исходит сжатие детали из трубы и поскольку она обладает малой устойчивостью, то труба теряет устойчивость и изгибается, при­ чем максимальные деформации происходят в тех сечениях, ко­

45

торые обладают малыми моментами сопротивления (инерции),

т.е. участки со сплющенным поперечным сечением.

Втом случае, когда температура обшивки выше температуры

стального трубопровода, трубопровод растягивается и в нем по­ являются осевые напряжения растяжения, поскольку база меж­ ду креплениями трубопровода увеличивается на Д/і, а сам тру­ бопровод на величину Д/2<Л/і. Вследствие того, что коэффици­ ент линейного расширения обшивки больше коэффициента линейного расширения трубы (обшивка из дуралюминового сплава, труба стальная), то Д/і>Д/2 и в том случае, если темпе­ ратура обшивки II трубопровода будут одинаковыми, но -выше температуры, при которой производилась сборка самолета.

Вследствие чрезмерных растягивающих напряжений у пря­ мых трубопроводов наблюдаются случаи смятия развальцован­ ной части под ниппелем и вырыва трубопровода из соединения. Если материал трубы обладает меньшей пластичностью, то про­ исходит разрушение по ослабленному сечению. Если трубопро­ вод плоской пли пространственной конфигурации, то происходит его растяжение с максимальными деформациями в ослабленных сечениях.

Более сложные нагрузки от температурных деформаций пре­ терпевают сложные трубопроводы, т. е. такие, которые имеют не­ сколько ответвлений.

Температурные деформации труб могут быть также и сопут­ ствующие (выше были разобраны температурные деформации, обусловленные ТУ, исходя из объективных условий работы).

Сопутствующие температурные деформации могут быть выз­ ваны недостаточно продуманной и выполненной изоляцией тру­ бы от воздействия интенсивных источников тепла (камера сгора­ ния, турбина); нарушением нормального режима работы систе­ мы, вследствие чего может значительно'Повыситься температура рабочей жидкости и другими, аналогичными причинами, вызы­ ваемыми либо несовершенством конструктивной отработки си­ стемы, либо неграмотной эксплуатацией.

Надежность работы гидравлических систем зависит также от градиента температуры.•

Величина градиента зависит от разности температур рабочей жидкости и трубопровода. Наибольшие градиенты наблюдают­ ся в соединениях. Циклическое воздействие градиента темпера­ тур может привести к разгерметизации стыка, а также способст­ вует усталостному разрушению трубопроводов.

В отдельных случаях нагрев трубопроводов и их соединений может достигать температуры 500° С и более. При резкой смене теплового режима (подача холодной жидкости) в результате различия в радиальных и линейных температурах деформаций элементов соединения усилие сжатия Рс деталей резко падает, что приводит к разгерметизации стыка.

46

4, /ш и /„ — длины (расчетные) гайки, штуцера и ниппеля.

где dcp— средний диаметр резьбы.

Суммарный зазор в соединении по наружному конусу

2 И = (s, + tg f ) sir. f . (2. 2 2 )

где у— угол профиля резьбы; и — угол развальцовки раструба.

Величины бsi и бы значительно меньше величины деформа­

Из выражения (2.23) следует, что для сохранения герметич­ ности стыка в условиях перепада температур при неравномерном охлаждении необходимо поівыснть либо момент затяжки, либо величину податливости элементов соединения. Повышение Мзах нежелательно, так как оно связано с перенапряжением элемен­ тов стыка. Поэтому для сохранения герметичности соединений целесообразно увеличивать податливость элементов соединений.

7. ВИБРАЦИОННЫЕ НАГРУЗКИ

Трубопроводы самолетных гидравлических систем работают в условиях вибрационных нагрузок, которые вызывают попереч­ ные колебания.

Известно, что поперечные колебания трубопроводов, при ко­ торых возбуждаются изгибные осевые напряжения аих, могут возникать в результате сообщения трубопроводу импульсов си­ лы от элементов конструкции самолета, агрегатов и потока дви­ жущейся в трубопроводе рабочей жидкости.

47

Источником вибрации от элементов конструкции самолета являются силовая установка, воздушный винт и колебания от аэродинамических или инерционных сил как конструкции в це­ лом, так п отдельных ее частей.

Воздушный винт вызывает следующие виды возмущающих импульсов.

1. Импульсы из-за дисбаланса винта:

а) неодинаковый вес лопастей вызывает появление центро­ бежных сил, действующих в плоскости вращения винта; часто­ та этих импульсов кратна оборотам винта;

б! центр тяжести лопасти не совпадает с плоскостью враще­ ния винта, отчего образуется неуравновешенная пара сил, дейст­ вующая относительно оси вала впита с частотой, кратной оборо­ там впита.

2. Импульсы, создаваемые действием аэродинамических сил винта:

а) в пределах допусков па углы установки лопастей тяга ло­ пастей получается неодинаковой, отчего появляется неуравнове­ шенный момент;

б) при работе на больших углах атаки на лопастях возника­ ют срывные явления, которые вызывают резонансные колебания лопастей;

в) индукция крыла пли фюзеляжа. Лопасти винта, проходя вблизи крыла, будут иметь неодинаковую тягу из-за изменения индукционной скорости, вследствие чего появится неуравнове­ шенный момент, действующий с частотой оборотов впита, умно­ женной на число лопастей. С такой же частотой винт может вызывать вибрацию обшивки бортов фюзеляжа. В данном случае источнпко.м вибрации будут вихри, сбегающие с концов лопастей.

Турбовинтовой и турбореактивный двигатели при статиче­ ской и динамической несбалансированности ротора вызывают на самолете вибрации с частотой, равной числу оборотов ротора.

Если зазоры в подшипниках вращающегося вала ротора боль­ ше определенных допусков, то возникают сначала маятниковые колебания вала, а затем, с увеличением оборотов могут появить­ ся удары цапф вала о подшипники. Подобное явление может наблюдаться и у вала воздушного винта.

Эти явления наблюдаются по мере выработки ресурса двига­ теля. Например, согласно ведомости отклонений от норм ТУ од­ ного из реактивных двигателей после двухсотчасовых испыта­ ний дисбаланс ротора компрессора составил:

по переднему валу 22,5 гр. см (по ТУ 8 гр. мм); по заднему валу 35,2 гр. см (по ТУ 8 гр. мм).

Дисбаланс ротора турбины по переднему и заднему валу со­ ответственно составил 15,2 гр. м и 10,2 гр. см:

48

Согласно данным [18, 23] влияние величины дисбаланса ро­ тора на амплитуду колебаний трубопроводов сказывается незна­ чительно.

Перегрузки от инерционных сил, например, при разбеге и пробеге самолета по бетонированной полосе могут достигать весьма значительных величии, примерно от 5 до 15g. Эти пере­ грузки были зарегистрированы при проведении летных испы­ тании.

Значительные уровни напряжения в трубопроводах при попе­ речных колебаниях возбуждаются от вибраций, создаваемых си­ ловыми установками, причем их уровень зависит не только от величины возмущающей силы, но и от частоты ее приложения.

Основными источниками колебания трубопроводов, смонти­ рованных на двигателях являются:

1) колебания корпуса двигателя или отдельных его агрега­ тов;

2) колебания реактивного сопла над действием газового потока.

Исследование напряженного состояния трубопроводов на двигателях показывает, что максимальный уровень напряжений регистрируется в трубопроводах, расположенных в зоне форсаж­ ной камеры и реактивного сопла. Уровень напряжений' пример­ но в два раза ниже максимального зарегистрирован в трубопро­ водах, расположенных на корпусе турбины. Наиболее низкие напряжения наблюдаются в трубопроводах, расположенных на корпусе компрессора.

Причем, как показывают результаты исследований, интенсив­ ность напряжений в значительной степени зависит от величины (силы) пульсации газового потока в форсажной камере и осо­ бенно в зоне удлинительной трубы реактивного сопла.

На рис. 2.8 представлены обобщенные диаграммы изменения вибронапряжений в трубопроводах в зависимости от оборотов двигателя или, что то же самое, от изменения частоты нагру­ жения.

Датчики, регистрирующие уровень вибронапряжений, уста-' наівливались на трубопроводах напорных участков гидравличе­ ских систем. На диаграммах представлен суммарный уровень напряжений от пульсирующего потока жидкости и механических вибраций.

Как видно из диаграммы, на некоторых типах самолетов в на­ порных участках гидравлических систем напряжения в контроль­ ных сечениях (сечениях, в которых производится замер напря­ жений) могут достигать '6—7 кгс/мм2. В процессе проведения летных испытаний и лабораторных исследований было выяснено, что основной причиной возникновения таких высоких уровнен напряжений являлся внутренний резонанс столба жидкости в трубопроводе, возбуждаемый плунжерным гидравлическим на-

49