CC BY
71
УДК 620.162.4+ 621.6
ИСПЫТАНИЯ НА РЕСУРС ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДА
© 2012 О. М. Болтенкова1, О. Ю. Давыдов1, В. Г. Егоров2
1ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
ОАО «Научно-исследовательский институт автоматизированных средств
производства и контроля»
Проведены ресурсные испытания пульсирующим внутренним давлением элементов трубопровода типа «крутоизогнутый патрубок». В ходе испытаний было установлено, что патрубки, формообразованные гибкой проталкиванием через фильеру с внутренним давлением наполнителя, и патрубки, полученные гибкой раздачей эластичной средой, имеют циклическую долговечность, превышающую ресурс планера летательного аппарата.
Испытания на ресурс, трубчатые детали, долговечность, пульсирующее давление.
Трубопроводные системы являются жизненно важным элементом в конструкции современных летательных аппаратов, и поэтому к ним предъявляются особые требования по обеспечению ресурса и надёжности.
Как показали предварительные испытания, ресурс трубопровода можно увеличить в 1,5-2 раза и приблизить к ресурсу планера при использовании крутоизогнутых, ступенчатых патрубков и тройников, формообразованных гидромеханической штамповкой из цельнотянутых или прямошовных трубных заготовок и собранных в трассу с применением автоматической сварки, взамен элементов, изготавливаемых из полупатрубков с применением ручной сварки.
Трубопроводы воздушных систем, топливной системы подвергаются при работе следующим нагрузкам: переменное (пульсирующее) внутреннее давление; вибрационные нагрузки частотой до 200 Гц; изгибные, монтажные и температурные нагрузки. Весь спектр нагрузок при единовременных ресурсных испытаниях воспроизвести чрезвычайно сложно. Поэтому проводились ресурсные испытания трубных узлов отдельными видами нагружений.
Ресурсные испытания проводились пульсирующим внутренним давлением.
Сравнивался ресурс крутоизогнутых патрубков, изготовленных штамповкой полу-патрубков с последующей их ручной сваркой [1]; крутоизогнутых патрубков, формообразованных гибкой проталкиванием через фильеру с внутренним давлением наполнителя [2]; крутоизогнутых патрубков, полученных гибкой раздачей эластичной средой [3]. Все испытуемые образцы были изготовлены из сплава ВТ1-0, имели диаметр 80 мм и толщину стенки
0,8 мм.
Для проведения экспериментов были созданы специальные стенды для испытания пульсирующим внутренним давлением.
Изготовление натурных узлов трубопровода для сравнительных ресурсных испытаний с формообразованными элементами типа «крутоизогнутый патрубок» потребовало проведения комплекса работ по калибровке, торцовке и автоматической сварке продольных и кольцевых стыков элементов.
Перед испытаниями натурные узлы трубопровода из сплава ВТ1-0 отжигались в следующем режиме: нагрев в печи до 550 °С, выдержка 1 час.
Схема испытаний и закрепления натурных узлов трубопровода представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема испытаний и закрепления трубчатых деталей
Испытываемые трубчатые детали 1 закреплялись жёстко в ложементах стенда в вертикальном положении и подключались через уплотнительные соединения к трубным гребёнкам стенда 2. Рабочее давление при испытании подавалось от насосной станции 3 через клапан регулировки давления 4 и электрогидравлический клапан 5, обеспечивающий пульсацию рабочего давления, через запорные краны 6 в испытываемые трубчатые детали 1.
Управление электрогидравлическим клапаном 5 осуществлялось автоматом пульсирующих нагрузок 7, который регулирует продолжительность выдержки труб под рабочим давлением и без него. Контроль рабочего давления осуществлялся двумя манометрами 8. Спуск воздуха из гидравлической системы стенда и испытываемых трубчатых деталей после их заполнения маслом перед началом испытаний производился через запорный кран 9. Охлаждение рабочей жидкости производилось радиатором с водяным охлаждением 10.
Испытания натурных узлов проводились при нормальной температуре окружающей среды ^кр =(25 ± 10)0С и при нормальной температуре рабочей жидко-
сти ^окр
=(35 ± 10)0С, которая поддерживается в заданном диапазоне за счёт радиатора водяного охлаждения.
Сравнительные испытания производились ускоренным методом за счёт повышения частоты нагружения и увеличения уровня испытательных нагрузок по сравнению с частотой и уровнем полётных нагрузок.
Исходя из большой номенклатуры натурных узлов труб, испытания проводили на двух уровнях напряже-
ний: <7^ = 0,5^0 2 (где а. - окружное напряжение, а02 - предел текучести материала) и а^ = 0,7а0 2.
Подбор рабочего давления при испытаниях производился по зависимости, связывающей окружное напряжение и внутреннее давление для цилиндрических тонкостенных сосудов:
Р Я
а. = ±™£, (1)
г
где а г - окружное напряжение, МПа;
РиСп - максимальное давление при испытании, МПа;
Я - наружный радиус трубы, мм; г - толщина стенки трубы, мм.
Расчётные нагрузки при испытаниях натурных узлов:
- при 7
Рисп. = 4 МПа;
: 0,5а0 2 = 200 МПа
ач = 0,7а0 2 = 280 МПа
- при
Рисп2 = 5,6 МПа.
Трубопровод воздушных систем эксплуатируется с рабочим давлением 0,8 МПа и два раза за полёт испытывает перегрузки при включении вспомогательной силовой установки. Трубопровод топливной системы эксплуатируется с рабочим давлением 0,4 МПа и испытывает перегрузки при заправке топливом в среднем два раза за время предполётной подготовки.
Ожидаемая долговечность трубопровода, эквивалентная назначенному ресурсу, при эксплуатации рабочим давлением с учётом перегрузок определяется по зависимости:
N = п • N Л . (2)
Здесь п - количество нагружений за полёт, п = 2;
N - назначенный ресурс планера (высокоресурсного трубопровода);
N = 20000 взлётов-посадок (30000 лётных часов);
Л - коэффициент надёжности:
Л = Л Л Л ^4, где Л1 - коэффициент надёжности, учитывающий возможные неточности программы испытаний на выносливость: Л1 = 1,5 ;
Л2 - коэффициент, учитывающий место разрушения, характер разрушения и скорость распространения трещины:
Л2 = 1,2;
Л3 - коэффициент, учитывающий
большую или меньшую достоверность данных о повторяемости нагрузок:
Л3 = 1,5;
Л4 - коэффициент, учитывающий разброс данных выносливости идентичных образцов: л4 = 3,5 .
Тогда Л = 1,5 • 1,2 • 1,5 • 3,5 »10.
Ожидаемая долговечность трубопровода при эксплуатации рабочим давлением с учётом перегрузок:
N = 2 • 20000 10 = 400000 циклов. Ожидаемая долговечность натурных узлов трубопровода при ускоренных испытаниях нагрузками определяется по формуле:
N = N
Л
Р,сп
\т
(3)
где N - ожидаемая долговечность трубопровода при эксплуатации рабочим давлением с учётом перегрузок, эквивалентная назначенному ресурсу трубопровода, N = 400000 циклов;
Р1 - максимальное давление при эксплуатации,
Р1 = 0,8 МПа для топливной системы,
Р1 = 1,3 МПа для воздушных систем;
Рисп - давление при ускоренных
сравнительных испытаниях для данного типа натурных образцов;
т - коэффициент, который принимается равным 3.
Тогда для трубопровода топливной системы: N2 = 148148 циклов.
Для трубопровода воздушных систем: Ы2 = 150686 циклов.
Принимаем базу испытаний натурных образцов трубопровода: Ы2 = 170000 циклов.
Испытания проводились в следую -щем порядке: партии образцов (по
3.. .5 шт.) нагружались пульсирующим давлением до PиСПl (а{ = 0,5а02), и по
достижении базы испытаний Ы2 = 170000
циклов нагрузку увеличивали до PиСП2
(= 0,7а0 2) и продолжали испытание до
разрушения натурных узлов трубопровода.
Результаты испытаний представлены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты ресурсных испытаний трубчатых деталей
№№ об- раз- цов Наименование образца Число циклов до разрушения Число циклов до разрушения Примечание
при = °,5^0,2 при ^2 = 0,7СТ0,2
1. Патрубки, изготовленные штамповкой полупатрубков с последующей их ручной сваркой 610 - 610 Разрушение по линии сплавления продольного шва
2. 220 - 220
3. 890 - 890
4. 115 - 115
5. Патрубки, формообразованные гибкой проталкиванием через фильеру с внутренним давлением наполнителя 170000 б/р 28600 198600 Разрушение по основному материалу образца
6. 170000 б/р 30680 200680
7. 170000 б/р 25170 195170
8. Патрубки, полученные гибкой раздачей эластичной средой 170000 б/р 200000 б/р 370000 б/р -
9. 170000 б/р 200000 б/р 370000 б/р
10. 170000 б/р 81050 251050 Разрушение по основному материалу образца
Примечание: б/р - образцы не разрушились при испытаниях.
Из табл. 1 следует, что патрубки, изготовленные штамповкой из двух половин, отличаются пониженным ресурсом при циклическом нагружении. Они выдерживают до 890 циклов до разрушения, что соответствует 157 лётным часам. В то же время патрубки, полученные с использованием прогрессивных технологий (гибка проталкиванием и гибка раздачей), выдержали от 195170 до 370000 и более циклов до разрушения. Следовательно, их циклическая долговечность соответствует от 34441 до 52941 и более лётных часов.
Таким образом, узлы титанового трубопровода с крутоизогнутыми патрубками из сплава ВТ1-0, полученными гидромеханической штамповкой из трубных заготовок, имеют циклическую долговечность, превышающую в 1,2-2 раза ресурс планера летательного аппарата в 30 000 лётных часов.
Библиографический список
1. Исаченков, Е. И. Развитие технологии штамповки эластичными, жидкостными и газовыми средами [Текст] / Е. И. Исаченков // Кузн.-штамп. пр-во. - 1976. -№7. - С. 2-5.
2. Егоров, В. Г. Оценка предельных возможностей формообразования патрубков проталкиванием [Текст] / В. Г. Егоров, О. Ю. Давыдов, М. В. Ганеев // Заготовительные производства в машиностроении. - 2004. - №2. - С. 30-32.
3. Болтенкова, О. М. Моделирование кинематики пластического течения при гибке патрубков раздачей [Текст] / О. М. Болтенкова, А. И. Кочегаров // Наука и технологии. Материалы XXXI Всероссийской конференции. - Миасс: МСНТ, 2011.
- С. 125-131.
