Файл: Козобков, А. А. Электрическое моделирование вибраций трубопроводов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.10.2024
Просмотров: 79
Скачиваний: 0
А. А. КОЗОБКОВ, А. И. КОППЕЛЬ, А. С. МЕССЕРМАН
Э Л Е К Т Р И Ч Е С К О Е МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ
Т Р У Б О П Р О В О Д О В
Москва
«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »
19 7 4
|
1 |
Гос. |
ny?; |
чпая |
|
К59 |
( |
. Нйучио-т- ... |
-:ая |
||
|
|
бИЫГ'Ю', |
V. |
■ Up |
|
УДК 621.643.006.8 : 629.7.53.072.13.001.57 |
|
3 |
|||
|
/? & |
! |
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА |
||
Козобков А. А., Коппель А. И., Мессерман А. С. Электриче ское моделирование вибраций трубопроводов. М., «Машино строение», 1974, 168 с.
В книге рассмотрены вопросы электрического моделирова ния свободных и вынужденных колебаний пространственных трубопроводных систем.
Электрические модели представляют собой в зависимости от вида колебаний пассивные шестиполюсники или четырех полюсники, соединяемые в цепочечную схему в соответствии с топологией трубопроводной системы. Приведены необходи мые расчетные соотношения, позволяющие определять пара метры моделей и примеры работы на них.
Книга предназначена для инженерно-технических и науч ных работников, связанных с проектированием, исследованием и эксплуатацией трубопроводных систем. Табл. 15, ил. 115, список лит. 19 назв.
Рецензент докт. техн. наук Г. С. Маслов
30501—176
К----------------- 176—74 038(01)—74
© Издательство «Машиностроение», 1974 г.
ВВЕДЕНИЕ
Технический прогресс в машиностроении, совершенствование машин и оборудования, значительное их усложнение, увеличе ние энергонапряженности силовых установок повышают требо вания к их надежности. Возникает необходимость проведения всестороннего анализа конструктивных элементов, уточнения расчетных схем и совершенствования методов проектирования. Обеспечение высокой надежности машин является одной из важнейших задач механики.
Наиболее общим критерием, характеризующим комплекс причин, приводящих к снижению надежности системы, является
\«степень ее неопределенности». Этот критерий отражает уро вень нашего познания ряда процессов, протекающих в системе, несовершенство методов расчета, недостаточную точность мате матического описания процесса и т. д.
Одним из самых серьезных факторов увеличения неопреде ленности систем является вибрация. Ее следствием может быть увеличение действующих напряжений из-за приближения к резо нансу, изменение различных параметров системы, приводящее к снижению ее работоспособности. Все это увеличивает неопре деленность состояния системы и уменьшает ее надежность.
Проблема повышения вибрационной прочности, а следова тельно, и функциональной надежности различных систем и устройств актуальна для большинства отраслей народного хо зяйства и Особенно для современной авиации и космонавтики.
Проблема вибрации в летательных аппаратах не нова. Еще в тридцатые годы нашего века, когда скорость самолетов пре высила 300 км/ч, возникла проблема «флаттера»—самовозбуж- дающихся колебаний крыла и оперения.
В современных летательных аппаратах широко используются
•механические и автоматические средства управления, осущест вляемые при помощи гидравлических и воздушных систем, агре гатов и устройств. Они обеспечивают работу большого числа различных механизмов и устройств: подъем и выпуск шасси, уп равление тормозами, запуск двигателей, управление двигателями и воздушными винтами, управление различными щитками, створ ками, люками, механизмами в системах вооружения и в системах
366 |
■3 |
заправки самолетов топливом и т. д. Мощность, потребляемая гидравлическими и воздушными системами современных транс портных самолетов достигает 1000 л. с.
Приведем некоторые данные по самолету В-70 («Валькирия» США). На этом самолете предусмотрены [2] «... четыре авто номные гидравлические системы, в каждой из которых имеется по три насоса, рассчитанных на работу при давлении 280 кгс/см2 (~ 28 МН/м2) и при температуре жидкости от —54 до +230° С. В гидравлической системе насчитывается 85 гидравлических двигателей (силовых цилиндров) прямолинейного поступатель но-возвратного и 44—вращательного движения; 120 клапанов с электромагнитным приводом и 50 клапанов с механическим при водом. Протяженность трубопроводов составляет 1600 м. Ем кость баков в гидравлических системах составляет 800 л. Кроме того, самолет имеет несколько воздушных систем с пятью ком прессорами и набором вспомогательного оборудования. Длина трубопроводов воздушных систем достигает 600 м».
Гидравлические и воздушные системы являются важным эле ментом многочисленных и разнообразных устройств. От их на дежности во многом зависит надежность летательных аппаратов.
Характерной чертой современных летательных аппаратов является многократное дублирование их жизненно важных си стем, повышающее надежность. Самолет ДС-10, например, имеет три, а самолет «Трансшар» четыре независимые гидравлические системы [11].
Однако во всех этих системах и вспомогательных устройст вах возникают вибрации, уменьшение которых совершенно не обходимо для обеспечения надежности конструкции. Так, напри мер, в работе [15], посвященной надежности гидравлических си стем, отмечено, что большинство отказов гидравлических и воздушных систем летательных аппаратов связано с усталостным разрушением трубопроводов вследствие возникшей в них виб рации.
Трубопровод как механическая колебательная система пред ставляет собой упругую пространственную конструкцию, состоя щую из элементов различной жесткости: прямолинейных и кри волинейных участков труб, арматуры и средств крепления самих трубопроводов. Трубопроводы соединяют объекты, расположен ные на расстоянии десятков, а иногда и сотен метров друг от друга. Однако такую систему можно рассматривать как состоя щую из отдельных участков, так как в ней всегда можно найти элементы, жесткость которых по сравнению с жесткостью трубопровода бесконечно велика и которые делят систему на самостоятельные участки, динамически изолированные друг от друга.
Участки трубопроводных систем, заключенные между такими жесткими элементами, с точки зрения их колебаний могут быть
•'4
разделены на следующие группы: прямолинейные, плоские и про странственные трубопроводы. Характер колебаний этих групп трубопроводов различен: прямолинейные трубопроводы под дей ствием возмущающих сил совершают изгибные колебания, в то время как плоские и пространственные трубопроводы — изгибяые, крутильные и продольные колебания. Результаты исследо вания вибраций трубопроводных систем летательных аппаратов свидетельствуют о том, что частоты их колебаний составляют от нескольких десятков до нескольких тысяч герц.
На самолетах с поршневыми двигателями одним из основных источников вибрации является винтомоторная группа, при ра боте которой возникают периодические возмущающие силы. В реактивных двигателях возбуждать колебания могут дис баланс ротора, работа форсажной камеры, колебания обойм подшипников, срывы пламени со стабилизаторов, колебания реактивной струи и т. д. Основную опасность при этом, как пока зала практика, представляют резонансные колебания трубопро водов, возбуждаемые различными трубками, консольио подве шенными агрегатами, диафрагмами крепления опор двигателя, стабилизаторами горения, подвешенными приборными досками и т. п.
Кроме названных причин, вызывающих появление возмущаю щих сил (неуравновешенность механизмов, аэродинамические силы), существует ряд других причин, которые, вызывая недо пустимые вибрации, могут способствовать преждевременному разрушению трубопроводов. Одной из таких причин является пульсирующий поток жидкости и газа в трубопроводах.
Перемещение жидкости и газа по трубопроводам осущест вляется с помощью нагнетательных машин, работа которых сопровождается колебаниями давления и скорости перекачивае мой среды. Причиной появления этих колебаний могут быть, как указывалось, возвратно-поступательное движение поршня и ра бота различных регулирующих и переключающих устройств. Наиболее характерными являются колебания давления топлива в системе питания, колебания давления воздуха в воздухозабор никах и т. п.
Пульсирующие потоки жидкости или газа, взаимодействуя со стенками трубы, с неоднородностями, имеющимися в трубо проводной системе, вызывают появление в ней периодических возмущающих сил и при определенных условиях — интенсивные
•вибрации системы.
Исследования вибрации трубопроводов на самолетах различ ных типов показали, что вибрации подвержены особенно те тру бопроводы, которые расположены в районе установки насосов, компрессоров и двигателей [3].
О величине пульсаций в гидросистемах самолетов и о послед ствиях таких пульсаций дают представление следующие при
меры, приводимые в работе [2]. Измерение давления в тру бопроводе за пятицилиндровым плунжерным насосом (флюгерпомпа), установленным на самолете и работающим с частотой
вращения вала 275 об/мин, показало, |
цто максимальное |
давле |
||
ние |
составляет |
42 кгс/см2 (~4,2 |
МН/м2), минимальное — |
|
22 |
кгс/см2 (~2,2 |
МН/м2) при номинальном давлении, |
равном: |
|
32 кгс/см2 (~3,2 МН/м2). Таким образом, размах колебаний давления оказался равным 10 кгс/см2 (~ 1 МН/м2) или более 60% от статического давления. Эти колебания давления вызвали вибрацию трубопровода, его разрушение, в результате чего воз ник пожар — загорелась двигательная установка.
На другом типе самолета гидравлическая система была вы полнена так, что два насоса, расположенные на двух соседних двигателях, нагнетали жидкость в одну гидравлическую систему. В трубопроводных нагнетательных магистралях на участке от насосов до фильтров создавались большие колебания давления (до 20 кгс/см2) (~ 2 МН/м2) и, как следствие этого, возникали большие циклические напряжения в материале труб (Оа= = ±15-Ю 4 кгс/см2 ( ~ 15-103 МН/м2), которые привели к разру шению трубопровода.
№ |
|
|
|
Частота, |
Пульсация |
по |
Источники |
пульсаций давления |
в % от но |
||
Гц |
минального |
||||
пор. |
|
|
|
|
давления |
|
|
|
|
|
|
1 |
Шестеренчатые насосы |
i00—1000 |
—50 |
||
2 |
Плунжерные насосы |
5—1000 |
- 5 0 |
||
3 |
Бортовые поршневые компрессоры |
5—100 |
-1 0 |
||
4 |
Автоматы разгрузки насосов |
|
|
||
|
а) шарикового |
типа |
30—100 |
-200 |
|
|
б) золотникового типа |
50-100 |
-100 |
||
|
в) периодического |
срабатывания |
1 |
-100 |
|
|
0 to to |
||||
5 |
Электромагнитные |
гидравлические краны |
0,8—1 |
-100 |
|
6 |
Гидроусилители |
|
|
0,03—0,6 |
-100 |
7 |
Редукционные клапаны |
5—6 |
-200 |
||
8 |
Гидравлические |
резонансные явления в |
Зависят от |
20—150 |
|
|
трубопроводе |
|
|
параметров |
|
|
|
|
|
системы |
|
В работе [6] на основе наземных и летных испытаний гидрав лических и воздушных систем самолетов составлена сводная таб лица, в которой указаны источники возможных пульсаций дав ления жидкости и газа.
6
В следующей таблице приведен перечень некоторых возмож ных источников вибрации трубопроводов. Этими источниками являются механические колебания различных элементов конст рукции самолета, к которым крепятся трубопроводы.
№
по пор.
1
2
3
4
5
6
7
Источники колебаний трубопроводов |
Частота, |
Гц |
|
Изгнбные колебания фюзеляжей тяжелых самолетов |
8—10 |
Изгпбные колебания крыла |
8—18 |
Крутильные колебания крыла |
30—45 |
Дисбаланс винта |
30—45 |
Инерционные нагрузки ротора турбины |
200 |
Колебания типа „флаттер" у истребителя |
~13 |
Бафтннговые явления |
1—5 |
Вибрации подвержены не только бортовые трубопроводные системы. Как известно, современные гражданские аэропорты оборудованы централизованной системой заправки самолетов. Такие системы обеспечивают подачу практически неограничен ного количества топлива к местам стоянок самолетов. При этом сокращается парк автозаправщиков и не загромождаются места стоянок.
Эксплуатационные режимы системы централизованной за правки самолетов отличаются резким изменением расхода, осо бенно в часы пиковых нагрузок. Возникающие при этом гидрав лические удары могут привести не только к вибрации трубопро водов и их аварии, но и к повреждению топливных систем самолетов, заправляющихся одновременно с самолетами, закон чившими заправку [8].
Проблема вибрации актуальна |
не только для авиации. Гид |
||
равлические, газовые и воздушные |
системы |
получили широкое |
|
распространение |
во многих |
отраслях |
промышленности |
и транспорта, особенно в машиностроении, в |
транспортных на |
||
земных машинах, на морских судах, в нефтяной, газовой й хими ческой промышленности. По трубопроводам транспортируется жидкость и газ для силовых приводов различных машин и меха низмов, а также технологические жидкости и газы, поступающие в переработку. Эти трубопроводные системы также представ ляют собой сложные пространственные конструкции с большим количеством различных элементов трубопроводной и запорной арматуры, различными технологическими аппаратами и исполни тельными механизмами. Пульсирующие потоки в этих системах вызывают интенсивные вибрации, приводящие к разрушению трубопроводов, что может явиться причиной тяжелых аварий.
7