CC BY
43
УДК 539.4.014.2:621.391.33 ОЦЕНКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УЗЛА КРЕПЛЕНИЯ БРОНИ МАГИСТРАЛЬНОГО КАБЕЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ В УСЛОВИЯХ ОСЕВОГО НАТЯЖЕНИЯ
Г.В. Лепеш1, К.А. Егоров2, А.Н. Широких3
1 Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21 2Акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт материалов», (АО «ЦНИИМ»), 191014, Санкт-Петербург, Ул. Парадная, 8 3Акционерное общество «Научно-производственный центр «Сонар», (АО «НПЦ«Сонар»),
196608, Санкт-Петербург, г Пушкин. Подбельского шоссе, 9, лит. А
Проведен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей узла крепления брони магистрального кабеля гидроакустической станции с использованием CAD/CAE технологий, реализованных в программном комплексе ANSYS. Разработан подход, позволяющий значительно снизить системные ресурсы при расчетно-теоритическом анализе НДС. Путем вариации конструктивными параметрами деталей устройства выбраны наиболее рациональные параметры деталей и усилия закрепления, обеспечивающие его наибольшую несущую способность.
Ключевые слова: кабель, защитная броня, растягивающие усилия, напряженно-деформированное состояние, контактные напряжения, прочность.
ASSESSMENT OF THE OPERATION OF THE MOUNT ARMOR TRUNK CABLE OF HYDROACOUSTIC STATION IN CONDITIONS OF AXIAL TENSION
G. V. Lepesh, K. A. Egorov, A. N. Shirokih
Saint-Petersburg state economic University (SPbGEU), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21 Joint-stock company "Central scientific-research Institute materials" (JSC "CRIM"),
191014, Saint Petersburg, Paradnaya street;
Joint-stock company "Scientific-production center of "Sonar", (JSC "SPC"Sonar"), 196608 St. Petersburg, Pushkin. Podbelskogo highway, 9, lit. A
The analysis of stress-strain state (VAT) of parts of the mount armor trunk cable of hydroacoustic station using CAD/CAE technologies implemented in the software package ANSYS. The developed approach allows to significantly reduce the system resources in the theoretical analysis of the VAT. By varying the design parameters of the machine selected the most rational parameters of the parts and the clamping force that provides the highest load-bearing capacity.
Keywords: cable, protective armor, tensile forces, stress-strain state, contact stresses, strength.
Введение
В области современной гидроакустики на надводных кораблях и подводных лодках, а также на научно-исследовательских судах и судах экологического контроля широко используются буксируемые гидроакустические станции, состоящие из дискретных приемопередатчиков, соединенных электрическим кабелем со средством буксирования (кораблем), либо с контрольным устройством, расположенным на берегу. Для
предотвращения от повреждения кабеля в условиях воздействия различных механических нагрузок применяются кабели, имеющие защиту - броню, представляющую из себя либо оплётку из стальных лент (рис. 1,а) - для кабелей, не подвергающихся растягивающим усилиям, либо проволочную оплётку (рис.1 б) - для кабелей подводной или наклонной прокладки.
1 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения» СПбГЭУ, тел..+79217512829, e-mail: greg-oryl@yandex. ru;
2Егоров Константин Александрович - ведущий инженер АО «ЦНИИМ», тел.:+7 921 9825455, e-mail: konstant55@rambler.ru;
3Широких Алексей Николаевич - начальник конструкторского отдела АО «НПЦ«Сонар», тел.:+7 9657739795, email: lexxshir@yandex.ru.
Подобную защиту имеют все кабели, предназначенные для прокладки в земляных траншеях, тоннелях, шахтах, под водой или на открытых участках производственных помещений, где велика вероятность силового воздействия на них, которое может нарушить их функционирование - передачу информации или электрического питания.
Л'енточная дооня
Рисунок 1- Бронированные кабели: а) - с ленточной броней; б) - с проволочной броней
Наиболее вероятная нагрузка на кабели гидроакустических станций - растягивающая нагрузка, которая может возникнуть как при прокладке кабеля, так и при случайном зацеплении за кабель, например при тралении. Такие кабели, как правило, имеют защиту в виде проволочной брони.
Каждый такой кабель имеет заявленную производителем максимально-допустимую растягивающую нагрузку, указанную в паспорте на кабель, которая обеспечивает его функционирование в определенных условиях. Проблемой является обеспечение надежного, с точки зрения прочности, соединения его с кабельными вводами соединяемых кабелем изделий.
Учитывая специфику применения гидроакустических станций, применение стандартных (покупных) кабельных вводов не всегда возможно. В таких случаях, кабельные вводы и узлы крепления брони в них приходится разрабатывать отдельно. Разработка кабельных вводов, с точки зрения надёжности фиксации брони кабеля, сводится проектировании узлов крепления брони (рис.2), обеспечивающих необходимую прочность соединения на разрыв.
В данной статье проводится сравнительная оценка различных конструкций соедини-
тельных муфт. На основании сравнительной оценки проводится оптимизации различных вариантов узлов крепления брони.
Постановка задачи исследования
Наиболее точным способом сравнительной оценки является проведение натурных экспериментов по растяжению кабеля, зафиксированного в кабельном вводе, однако, ввиду большого количества сравниваемых моделей узлов крепления брони, постановка натурных экспериментов приведёт к удорожанию и увеличению трудозатрат разрабатываемого кабельного ввода.
При этом наиболее целесообразным будет проведение расчётно-теоретической оценки функционирования различных моделей кабельных вводов с последующей экспериментальной оценкой на натурной модели. Подобный подход позволяет провести сравнительную оценку относительно большого количества вариантов конструкций кабельных вводов с минимальными материальными затратами связанными с их изготовлением и натурными испытаниями, после чего, на основании полученных данных, выбрать наиболее оптимальную конструкцию, отвечающую заданным требованиям и провести ее испытание.
В качестве примера подобного похода проведём расчётно-теоретическую оценку магистрального кабеля стационарной гидроакустической станции. Предположим, что на этапе эскизного проекта средствами 3D-моделирования разработана модель кабельного ввода представленного на рисунках 2 - 4.
Кабельный ввод, состоит из фланца с конусом и гайки. Фланец и гайка имеют цилиндрический резьбовой участок. При монтаже, проволочная броня кабеля устанавливается на конусе фланца и затягивается гайкой.
Рисунок 2 - Кабельный ввод. Общий вид
Конус КаВепь
Рисунок 3 - Основные элементы узла крепления кабеля в кабельном вводе
Силовой элемент кабеля 1про6олочная броня.)
Рисунок 4 - Силовой элемент кабеля, установленный на конусе (гайка не показана)
В результате расчетов требуется:
- определить оптимальные конструктивные параметры деталей узла крепления силового элемента кабеля;
- подобрать максимально допустимую осевую нагрузку и усилие затяжки гайки, обеспечивающие контактную прочность узла.
Определение оптимальных конструктивных параметров деталей узла крепления силового элемента кабеля
Расчетная оценка несущей прочности узла крепления силового элемента кабеля проводилось в пакете Ansys в статической постановке.
На первом этапе было проведено полномасштабное исследование модели, представленной на рис. 2 - 4. Была поставлена контактная задача, учитывающая пластическое деформирование. Для решения использовались системные ресурсы ЭВМ, значительно выходящие за пределы стандартных офисных ЭВМ (оперативная память 128 Гб, количество процессоров с тактовой частотой 2 Гц 16 шт. и др.). Полученное решение
данной задачи заняло 24 часа при условии, что удается добиться сходимости решения с первого раза, т.е. в случае линейной упругости. На рисунке 5 представлены результаты решения варианта задачи по истечению двух суток. Здесь была достигнута сходимость решения в условиях появления пластических деформаций в зоне контакта жилы брони кабеля и конуса. В расчетах получено наибольшее напряжение смятия на поверхности контакта жил и конуса асж = 1247 МПа и радиальной реакции Я= 2501 Н.
Рисунок 5 - Напряженное состояние жил кабеля: а)
- контактные напряжения; б) - Интенсивности напряжений
Поскольку трудоемкость решения значительная, то для осуществления вариаций конструктивными параметрами анализируемого устройства с целью их рационального выбора было принято решение произвести упрощение задачи.
Так для целей уменьшения расчетных рессурсов при выборе рациональных параметров конуса далее оценка проводилась в осесиммет-ричной постановке, где силовой элемент был задан как сплошная осесимметрическая оболочка (рис. 6), имеющая поперечное сечение эквивалентное по площади сечению проволочной брони. Геометрия гайки и фланца также упрощена
при условии сохранения геометрии конусной части и жесткости деталей в расчетной области.
Рисунок 6 - Расчётная модель в осесимметричной постановке
Из расчета также исключены элементы кабеля (оплетка, жилы и т. д.), прочность которых несоизмеримо мала, по сравнению с его силовыми элементами. Принятые упрощения значительно сократили расчетные ресурсы, однако позволяют провести лишь качественную оценку моделей кабельного ввода, так как форма силового элементав в виде сплошной оболочки значительно отличается от реального.
На рисунке 7 представлена схема приложения граничных условий
Рисунок 7 - Схема приложения граничных условий
Граничными условиями решения задачи определены следующие:
- фланец с конусом жестко закреплены;
- силовой элемент кабеля жестко закреплён с торца;
- с торца гайки приложено усилие затяжки. Так как гайка сопрягается с фланцем посред-ствам резьбового соединения, то для сравнительной оценки, величина усилия затяжки может быть выбрана исходя из максимального усилия затяжки согласно стандарту на резьбу. В данном расчёте усилие затяжки F=100000 Н, что приблизительно соответствует резьбе М36.
- так как при моделировании интерес представляют в основном поверхности гайки и конуса, контактирующие с силовым элементом кабеля то для упрощения расчёта резьбовое соедине-
ние «гайка-фланец» было заменено контактом сопрягаемых поверхностей с бесконечно малым коэффициентом трения;
- для сопрягаемых поверхностей втулки, конуса и силового элемента выбран контакт с коэффициентом трения 0,15.
В качестве моделей материалов определена сталь с указанными на рисунке 8 механических характеристиками.
Рисунок 8 - Модели материалов узла крепления силового элемента
Для сравнительного анализа было отобрано несколько расчётных моделей:
-с кольцевыми проточками на конусе (угол конуса 10°);
-с уменьшенной глубиной проточек на конусе (угол конуса 10°);
-с гладким конусом (угол конуса 10°); -с гладким конусом (угол конуса 5°). В результате расчета узла крепления силового элемента кабеля были получены эпюры эквивалентных напряжений и силы реакций К в зоне контакте гайки, конуса и силового элемента кабеля (рис. 9), препятствующие проскальзыванию силового элемента при осевой нагрузке (рисунки 10 - 13) .
Рисунок 9 - Сила, препятствующая проскальзыванию силового элемента при осевой нагрузке
Рисунок 10 - НДС штатной модели
Рисунок 12 - НДС модели с гладким конусом
Рисунок 11 - НДС модели с уменьшенной глубиной проточек на конусе
Рисунок 13 - НДС модели с углом конуса 5о
В результате качественной оценки выбранных моделей, разтличающихся перечисленными конструктивными параметрами деталей узла крепления силового элемента кабеля определено, что при затяжке гайки в штатной конструкции может происходить пластическая деформация кромок кольцевых проточек (рис. 9 а, б) и как следствие их дальнейшее разрушение. При этом, очевидно, что проточки не заполоняются силовым элементом, вследствие его деформации, как это планировалось изначально.
Отсюда можно сделать вывод, что для эффективной работы данного узла следует либо заменить материал силового элемента на более пластичный, либо уменьшать глубину проточек. Необходимость уменьшения глубины проточек подтверждается сравнением уровней напряжений на конусе штатной конструкции (рис. 10 а, б) и уровней напряжений в конструкции с уменьшенной проточкой (рис. 11 а, б). Так из рис. 11 вид-следует, что при близком характере распределения напряжений в конструкции с уменьшенной проточкой максимальные напряжения почти на 500 МПа ниже, чем в штатной при том же усилии затяжки. Следует отметить, что осутствие проточек (рис.12) приводит к еще большему снижению уровня контактных напряжений. Причиной этому является увеличение площади контактной поверхности.
При вариации углом конуса получено, что при уменьшении угла раствора конуса до величины 5-ти градусов, величина радиальной силы К значительно возрастает (рисунок 13) по сравнению с силой К остальных конструкция с углом конуса 10 градусов. Это является положительным фактором, с точки зрения осевой (несущей) прочности соединения. Однако с уменьшением угла конуса значительно возрастает уровень напряжений смятия, как на самом конусе, так и на втулке, что может привести в их разрушению и. следовательно, к недостаточной несущей способности соединения.
Таким образом, из рассмотренных способов улучшения конструктивных параметров деталей узла затяжки кабеля, наиболее предпочтительными являются мероприятия, приводящие с одной стороны к уменьшению контактных напряжения в вершинах кольцевых канавок ( в выступах), а с другой стороны - к увеличению радиальной силы R, способствующей росту сил трения и увеличению несущей способности соединения. Оба эти мероприятия сводятся к уменьшению глубины кольцевых проточек конуса, увеличению количества канавок (частоты нарезки) и уменьшению угла раствора конуса. Ввиду того, что при натяжении силового элемента основным фактором, препятствующим его проскальзыванию (в рассмотренных конструкциях) является сила трения, то рационализация конструкции, так или иначе, должна быть сопряжена с повышением силы трения, поэтому в данном случае полный переход на гладкий конус может быть нецелесообразен. Альтернативой кольцевым проточкам, в данном случае, может быть сетчатое рифление.
Подбор максимально допустимой
осевой нагрузки на силовой элемент
После выбора рациональной конструкции конуса узла крепления силового элемента кабеля, необходимо оценить максимальную допустимую осевую нагрузку, при которой происходит удержание силового элемента (проволочной брони) между гайкой и конусом при необходимой затяжке гайки. Т.е. необходимо также обеспечить контактную прочностьи системы «гайка-конус-силовой элемент». Для постановки данной задачи на ЭВМ требуется моделирование силового элемента, состоящего из 31-й жил, равномерно расположенныхвокруг конуса.
В соответствии с принятой стратегией упрощения расчетов, моделирование данной задачи недопустимо производить в полной постановке, при условии решения сложной контактной задачи с пластическим деформированием для 31-о жильной конструкции при отсутствии
достаточных системных ресурсов, имеющихся лишь на супер-ЭВМ.Здесь упрощение расчетной модели произведем за счет исключения из анализа части симметрично расположенных жил.
Так как узел крепления силового элемента кабеля является осесимметричным, то была подобрана выборка расчётных моделей, образованная путем разбиения узла на меридинальные части, имеющие циклическую симметрию. Каждая часть включает от 1 до 4-х жил силового элемента кабеля (рисунок 14 - 17). При этом, для упрощения, конус и фланец выполнены как одна деталь. К плоскостям циклической симметрии были приложены граничные условия в виде ограничения перемещений, компенсирующие отброшенные части узла крепления. Схема приложения граничных условий приведена на рисунке 15.
в)
г)
Рисунок 14- Расчётные модели: а) - с одной жилой; б) - с двумя жилами; в) - с тремя жилами; г) -с четырьмя жилами
Рисунок 15 - Схема приложения граничных условий
В представленных расчётных моделях для сопрягаемых поверхностей гайки и фланца был задан контакт с бесконечно малым коэффициентом трения Коэффициент трения для сопрягаемых поверхностей гайки, конуса и силового элемента на практике составляет величину порядка ^ = 0,3, однако в расчётах было задано его значение ^ = 0,15 исходя из возможной нестабильности коэффициента трения при затяжке.
Построенные модели использованы для установления регрессионных зависимостей от внешних факторов нагружения для напряжения смятия <см, возникающего в зоне контакта втулки, конуса и силового элемента и ограничивающего прочность жилы проволочной брони, а также для радиальной реакции Я, способствующей несущей способности соединения. Моделирование нагружения узла крепления силового элемента кабеля проводилось в пакете Ansys в статической постановке.
Для расчётных моделей с числом жил от 1 до 4-х в пакете Ansys были реализованы расчетные эксперименты . В качестве варьируемых факторов были приняты усилия затяжки втулки F, количество жил п и силы Я возникающие в зоне контакте втулки, конуса и силового элемента, препятствующие проскальзыванию элемента при осевой нагрузке.
На рисунке 16 приведены результаты проведенного эксперимента для расчётной модели с тремя жилами. Схожесть полученных результатов с натурными испытаниями по растяжению кабеля, зафиксированного в кабельном вводе можно оценить по деформациям конуса приведённого на рисунке 17. Из рисунков видно, что в обоих случаях участки конуса, испытывающие максимальную нагрузку совпадают. Результаты экспериментов по всем расчётным моделям приведены в таблице 1.
Рисунок 16 - Распределение эквивалентных напряжений, МПа
Рисунок 17 - Деформация конуса и гайки кабельного ввода после затяжки гайки и приложения осевой нагрузки
Таблица 1 - План реализации эксперимента
№ эксперимента F, Н n, шт R, Н (для одной жилы) а см, МПа (для одной жилы)
1 2000 1 5936 2465
2 30000 2 41076 3382,6
3 30000 3 31120 3199
4 30000 4 21164 3116
По приведённому плану эксперимента с помощью инструментов регрессионного анализа Microsoft Excel [2] получены уравнения линейной регрессии:
R = 1,6105- F - 9956- n +12670,857;
сусм = 0,03693- F -133,3 - n + 25244433. Коэффициент детерминации полученных уравнения равен 0,99. Это означает, весьма тесную связь варьируемых факторов с результатом.
Оценка адекватности полученного уравнения была проведена по критерию Фишера. Фактическое значение критерия Фишера для
уравнения силы R составляет Ф=49,79. Табличное значение критерия Фишера Фтаб=6,94 .при уровне значимости а=0,05 [2]. Фактическое значение критерия Фишера для уравнения силы R составляет Ф=141,5. Табличное значение критерия Фишера Фтаб=6,94 .при уровне значимости а=0,05. Следовательно, условие адекватности уравнений регрессии выполняется, и уравнения могут быть использованы для определения допустимого усилия затяжки с заданным количеством жил силового элемента и заданной силой R, препятствующие проскальзыванию элемента при осевой нагрузке.
После подстановки в уравнения регрессии силы F, подобранной исходя из условий соблюдения контактной прочности при количестве жил п=1, были получены значения силы R=1646 Н (для одной жилы или R=51029 Н при количестве жил п=31) и напряжение смятия для каждой жилы из условия соблюдения контактной прочности ст = 3499 МПа.
см
Учитывая, что допустимые напряжения смятия принято считать
|асж| = (2...2,5)ат = 3300...4125МПа [3], видно, что условие контактной прочности выполняется, т.е. а < а
см | см
После умножения, суммарной для всех жил силы R, на коэффициент трения системы «гайка-конус-силовой элемент» была получена сила трения, препятствующая проскальзыванию силового элемента при его осевой нагрузке, ¥ = Я ■ ( .
тр тр
Учитывая возможную нестабильность коэффициента трения, при расчёте было выбрано значение коэффициента трения в диапазоне / = 0.15...0,35 . При этом значение силы трения системы «гайка-конус-силовой элемент» было получено в диапазоне ¥ = 7654,47...17860,449 Н.
тр ? ?
Таким образом, максимально допустимая осевая нагрузка на силовой элемент, при силе трения соответствующей минимальному значению указанного диапазона может быть не более 7654 Н. .
Результаты данного расчёта были подтверждены экспериментально при проведение натурного эксперимента, по растяжению кабеля на разрывной машине, зафиксированного в кабельном вводе по конструкции и механическим
свойствам материалов полностью идентичному кабельному вводу приведённому в расчёте.
На рисунке 18 и 19 приведены внешний вид закрепления кабеля и результаты испытаний, соответственно.
Рисунок 18 - Крепление кабеля на разрывной машине
На рисунке 20 представлена диаграмма растяжения кабеля на разрывной машине, из которой видно, что жилы силового элемента перестают удерживаться силой затяжки гайки уже при 10702 Н, что приблизительно соответствует максимально допустимой осевой нагрузке на силовой элемент, при силе трения соответствующей минимальному значению вышеуказанного диапазона.
Выводы
Проведен анализ НДС деталей узла крепления брони магистрального кабеля гидроакустической стпанции с использованием CAD/CAE технологий, реализованных в программном комплексе ANSYS. Разработан подход, позволяющий значительно снизить системные ресурсы при расчетно-теоритическом анализе НДС.
Путем вариации конструктивными параметрами деталей устройства выбраны наиболее рациональные параметры деталей и усилия закрепления, обеспечивающие его наибольшую несущую способность.
Разработанная методика позволяет путём подхода, основанного на полном факторном экс-
перименте проводить качественную оптимизацию различных конструкций кабельных вводов бронированных кабелей, имеющих проволочную броню и определять максимальную осевую нагрузку на силовой элемент кабеля. Достоверность методики подтверждена натурными испытаниями.
Рисунок 19 - Кабель после разрушения Соединения
Рисунок 20 - Диаграмма растяжения кабеля на разрывной машине
Литература
1. Лепеш Г.В., Егоров К.А. Построение характеристики процесса срезания выступов деформируемых элементов на базе численного эксперимента. /Технико-технологические проблемы сервиса. - №3 (37), 2016. C.30 -35.
2. Практикум по эконометрике с применением MS EXCEL. Линейные модели парной и множественной регрессиие./ ШалабановА.К., Роганов Д.А. - Казань: ТИСБИ, 2008-53 с.
3. Орлов П. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. П. Н. Учаева.-Изд.3-е, испр. - М.:Машиностроение, 1988 -560 с.
