CC BY
168
ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ
УДК 621.643.43
В. К. ИТБАЕВ, А. М. БРЮХАНОВ, Р. Н. МИРСАЕВ, С. В. ПЕРЛОВ,
Р. Г. АХМАТВАЛИЕВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ГИБКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
Предлагаются основные результаты работ, выполненных в УГАТУ в области исследования, проектирования и производства гибких металлических трубопроводов. Представлены основные положения метода оптимального проектирования гибких металлических рукавов, запатентованные способы и устройства для изготовления гибких металлических рукавов, сильфонных компенсаторов и их элементов. Гибкий металлический трубопровод; напряженно-деформированное состояние; амплитудно-частотные характеристики; циклопрочность; оптимальное проектирование
Под гибкими металлическими трубопроводами (ГМТ) подразумеваются гибкие металлические рукава (ГМР) и сильфонные компенсаторы (СК), которые широко применяются в авиакосмической технике, наземном и морском транспорте, на предприятиях нефтехимического производства, в металлургии и других отраслях [1]. Во многих случаях ГМТ является единственно возможным гибким соединением трубопроводных коммуникаций при следующих особенностях условий эксплуатации:
работа в условиях агрессивных и особоагрессивных рабочих окружающих сред;
высокие и низкие температурные условия от -260 до +740 °С;
работа и хранение в условиях высокого радиоактивного и солнечного облучения;
сохраняемость эксплуатационных
свойств в течение длительного срока хранения.
Указанными свойствами не обладают резиновые, полимерные шланги и трубы.
До недавнего времени единственными в России разработчиками и производителями ГМТ являлись ФГУП «Гидравлика» (Уфа) и ОА «Металлкомп» (С.-Петербург). В последние годы в России появился ряд предприятий, занимающихся изготовлением ГМТ, в частности, ЗАО «Сплав-Спецтехнология», ОАО «Котрен» (Великий Новгород), группа предприятий «Энергомаш» (Москва, Белгород) и др. Тем не менее основным изготовителем ГМТ для авиакосмической техники остается ФГУП «Гидравлика».
Отраслевая научно-исследовательская лаборатория (ОНИЛ) по гибким трубопроводным системам была создана в 1974 г. и была закреплена за ФГУП «Гидравлика» как за базовым предприятием.
Ниже излагаются основные достижения НИЛ по гибким трубопроводным системам в области оптимального проектирования и производства ГМТ за последние 3 года.
Метод оптимального проектирования сильфонных компенсаторов (СК) был разработан ранее проф. А. И. Крюковым, доц.
С. В. Тарховым, ниже излагаются основные моменты по оптимальному проектированию гибких металлических рукавов (ГМР).
В качестве критериев оптимизации при проектировании ГМР целесообразно принять габаритные размеры и массу. Таковыми являются наружный диаметр и длина .
Все параметры проектирования, входящие в математическую модель, представим в виде вектора
- I-----V*'
У = (с, х) ,
где с — вектор неуправляемых параметров оптимизации; х — вектор управляемых параметров оптимизации.
Вектор неуправляемых параметров
С = (С1. С‘2. ■■■С/, ...,Ср)
включает величины, неизменяемые в процессе реализации поставленной задачи. К таким величинам относятся исходные данные, необходимые для проектирования ГМР:
• условный диаметр ГМР ёу (мм), определяемый проходным сечением трубопровода;
характеристики материала ГРМ (оболочки и оплетки): модуль упругости
(МПа); коэффициент Пуассона , предел прочности (МПа); предел текучести (МПа); плотность р (кг/м3);
толщины материала листовой или трубной заготовок, из которых может быть изготовлена гофрированная оболочка проектируемого ГМР;
эксплуатационные нагрузки: внутреннее давление рабочей среды (МПа), минимальный радиус изгиба ГМР Дизг (мм); минимальное (мм) и максимальное (мм)
перемещения торцев ГМР при циклическом нагружении; уровень воздействующих вибраций; расход рабочей среды;
заданное число циклов наработки при воздействии повторно-статического нагружения Жэкспл;
весовые коэффициенты относительной значимости длины гибкой части ГМР щ и его массы . Коэффициент относительной значимости наружного диаметра гофрированной оболочки определяется из условия .
Вектор управляемых параметров
X (-^1" , •••Х.}* .... X)
включает величины, изменение которых приводит к нахождению оптимального решения по критериям оптимизации. В качестве управляемых параметров ГМР используются:
радиус выступов гофров по наружной поверхности ;
радиус впадин гофров по наружной поверхности ;
высота гофра гофрированной оболочки ;
шаг гофрировки ;
толщина слоя гофрированной оболочки ;
число слоев гофрированной оболочки ;
число гофров ГМР ;
диаметр проволоки оплетки ;
число слоев оплеток ;
число прядей в одном слое оплетки ;
число проволок в пряди ;
шаг оплетения .
Размерность пространства проектирования определяется размерностью вектора управляемых параметров х (здесь равна 12).
Совокупность критериев оптимизации (длина , наружный диаметр и масса ГМР) образует вектор критериев оптимизации, представляющий собой векторную целе-
вую функцию:
^ (х) = (Л (х), /2 (х), /3 (х)),
где Л (ж), /'2 (ж) И 0,3 (ж) — критерии оптимизации соответственно по длине , наружному диаметру и массе ГМР.
Область допустимых проектных решений определяется исходя из ограничений, накладываемых условиями эксплуатации — заданной циклической прочностью ^экспл,р — внутренним давлением рабочей среды, Дизг — минимально возможным радиусом изгиба ГМР, с учетом коэффициентов запаса по давлению пластической деформации гофров пд, по числу циклов наработки и коэффициента (для изделий авиакосмической техники и будет выглядеть следующим образом:
Аф = {х ■ 9к {х ^ 0, к = I, .?') } ,
где — число ограничений по условиям
эксплуатации; (х) — ограничения по условиям эксплуатации.
ПА’НЗКСИЛ -^расч '5 0;
пдр — Рдоф 0; се^ — Ди31, 0.
С учетом ограничений целевая функция оптимального проектирования ГМР будет иметь следующий вид:
.Р (х) = mm(F (х)), ж €Е Ар,
где Дф = {х : дк (х) 0; а,; ж,; ]3{, к =
= 1,3, * = 1,12}.
Созданная на основе этой целевой функции программа для ЭВМ позволяет сократить временные и финансовые затраты на проектирование ГМР.
Выбор оптимальных параметров ГМР исходя из технического задания (ТЗ) заказчика и вариантных расчетов согласно процесса проектирования ГМР осуществляют в следующей последовательности:
расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) гофрированной оболочки и определение предельного упругого перемещения полугофра;
определение величины рабочего давления;
расчет приведенного значения изгибной жесткости;
расчет на прочность проволочной оплетки;
расчет числа циклов изгибов до разрушения;
расчеты на виброустойчивость и вибропрочность.
Математическая модель для расчета НДС тонкостенных оболочек вращения, разработанная в НИЛ по гибким трубопроводам с участием и под руководством научной школы А. П. Гусенкова (ИМАШ РАН) при высокочастотном, длительном упругопластическом нагружении и воздействии высокой температуры в конечном итоге представляет собой систему шести (а для оболочек с винтовой симметрией гофра — восьми) обыкновенных дифференциальных уравнений. Система получена на основе трех групп соотношений: уравнений равновесия; соотношений связи деформаций и перемещений; связи деформаций и нагружений.
Разрешающая система уравнений, разработанная в НИЛ по гибким трубопроводам с участием и под руководством научной школы
А. П. Гусенкова (ИМАШ РАН), имеет вид
вУ — -р- = .4 • У
0,8
Р.
где 5 в осевом
длина дуги меридиана _гофра сечении оболочки; У = — вектор разрешающих функций; — меридиональная и
перерезывающая силы; , — меридиональ-
ная и нормальная компоненты перемещения;
— угол поворота нормали к срединной поверхности в меридиональном сечении; — матрица жесткостно-геометрических коэффициентов размерности 6 6 (для оболочек
с кольцевой симметрией гофров) и размерности 8x8 (для оболочек с кольцевой симметрией гофров); Д — вектор свободных членов, состоящий из 6 или 8 элементов, включающих температурные составляющие и распределенные нагрузки.
В конечном итоге система уравнений позволяет получить: поля деформаций по сечениям полугофра и по толщине его стенки; величины продольной и изгибной жесткостей полугофра и всей гофрированной оболочки; величину давления начала пластической деформации гофра (местной потери устойчивости); число циклов до разрушения оболочки.
Расчет прочности силовых оплеток при действии внутреннего давления в ГМР сводится к определению прочности пряди
Рр = с-п- /,
где — разрывное усилие пряди, п — количество проволочек в пряди, — разрывное
усилие проволоки, с — понижающий коэффициент, учитывающий конструкцию оплетки, неравномерность нагружения проволок оплетки и ряд других факторов.
На основе экспериментальных исследований установлено соотношение
С =
1 + К(п- 1) 1 + 0,855 (п-1)
п
п
где К — коэффициент недогрузки проволочек.
Для расчета виброустойчивости и вибропрочности ГМТ при кинематическом, инерционном и силовом возбуждении колебаний в НИЛ разработаны алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие построить амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), а затем, исходя из величин смещений в пределах полугофра, определить вибронапряжения и рассчитать число циклов до разрушения. Учет рассеяния энергии при колебаниях ведется по методу Е. С. Сорокина. Значения декрементов колебаний необходимые для расчета АЧХ определяются с помощью аппроксимирующих зависимостей вида
л \ ж:
С”1 V
где , — коэффициенты регрессии, полу-
ченные обработкой экспериментальных данных методом наименьших квадратов; А — амплитуда колебаний в пучности формы;
мкм — минимальная амплитуда, имеющая смысл в технических расчетах.
Расчет АЧХ ведется методом последовательных приближений.
Для исследования вынужденных колебаний гибких металлорукавов (ГМР) используется дифференциальное уравнение
(ЕП
р дх4 д2 дх2
т„
сЯу ді2
Е Ф
дх2 )
= єд (х) сок ші.
где выражение в квадратных скобках характеризует нелинейную упругость и механический гистерезис. Решение уравнения и построение АЧХ ведется по методу Г. С. Писаренко. При этом для построения «скелетной» кривой АЧХ используется нелинейная силовая характеристика ГМР, в виде
Р = ¥~ (ж)цр х
-1,в
У — 0,449 | “ (А.
где — прогиб при двустороннем закреплении ГМР; — коэффициент, зависящий от условий закрепления концов ГМР; —
длина гибкой части ГМР.
Вопросы производства ГМТ наиболее полно представлены в работе [1]. Ниже излагаются последние разработки в этой области, полученные непосредственно в НИЛ, гибкие трубопроводы за последние 2 года:
Устройство для изготовления сильфонов (патент РФ на изобретение 2191651, авторы А. М. Брюханов, Г. И. Кашелевский, Р. Н. Мирсаев, С. В. Перлов и др.). Изобретение относится к устройствам для изготовления гофрированных оболочек (сильфонов) ГМТ методом гидроформования, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом возврата в исходное положение, разъемными концевыми уплотняющими полуматрицами, что позволяет освободить рабочую зону для быстрого съема готового изделия и последующий возврат оснастки в исходное положение. В настоящее время завершается изготовление станка, в котором реализовано данное устройство. Основные технические параметры изготавливаемых гофрированных оболочек ГМТ:
Условный (внутренний) диаметр, мм ......400
Длинатрубнойзаготовки, мм ......... 120-1300
Суммарная толщина стенок
трубной заготовки, мм.................2,8
Максимальноерабочеедавление, МПа........12
Стан для изготовления сварных прямошовных труб мерной длины (патент РФ на изобретение № 2185910,
авторы А. М. Брюханов, Р. Н. Мирсаев, Г. И. Кашелевский, С. В. Перлов и др.). использование изобретения относится к трубосварочному производству и может быть применено для изготовления труб методом аргонодуговой микроплазменной сварки. Задача изобретения — создание малогабаритного стана для изготовления тонкостенных мерных труб высокого качества.
Гибкая труба (разработана, изготовлена и испытана, патент РФ на полезную модель № 37404, авто-
ры Р. Г. Султанов, В. М. Горбаненко, В. К. Итбаев, Р. Н. Мирсаев и др.) для экстренного восстановления поврежденных газопроводов методом протягивания внутрь поврежденного участка и приварки по концам.
Способ и устройство для протягивания гибкой трубы внутрь поврежденного участка трубопроводной коммуникации (патент РФ на изобретение № 228782, авторы А. М. Шаммазов, Р. Г. Султанов, В. К. Итбаев и др.).
Конструкция компенсатора с усиленными демпфирующими характеристиками для системы выпуска отработанных газов евроджипа «Патриот» (ОАО «УАЗ»).
Другие конструкции ГМР и СК разработанные в НИЛ ГТ опубликованны ранее [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусенков, А. П. Унифицированные гибкие элементы трубопроводов :справ. пособие /
A. П. Гусенков, Б. Ю. Лукин, В. С. Шустов. М.: изд-во стандартов, 1988, 296 с.
2. Итбаев, В. К. Исследования и разработка перспективных конструкций гибких трубопроводов для авиакосмической техники /
B. К. Итбаев, А. М. Брюханов // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». Изд-во «Машиностроение». М. : 2002, с. 8182.
ОБ АВТОРАХ
Итбаев Валерий Каюмович,
проф., зав. каф. основ кон-струир. механизмов и машин. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1970). Д-р техн. наук по авиац. двигателям (УГАТУ, 1996). Лауреат Прем. Правительства РФ. Заслуж. машиностроитель РБ. Иссл. в обл. динамики и прочн. авиац. двигателей.
Брюханов Анатолий Михайлович, ст. науч. сотр., зав. науч.-иссл. лаб. по гибким трубопроводам каф. авиац. двигателей. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1967). Канд. техн. наук по технологии производства ЛА и двигателей (УАИ, 1981). Лаур. Премии Правит. РФ в обл. науки и техники (1997). Иссл. и разраб. в обл. технологии производства гибких трубопроводов.
Мирсаев Рафаиль Нури-евич, доц. БАГСУ. Дипл. инж.-мех. по авиац. двиг. (УГАТУ, 1972). Канд. наук. Иссл. в обл. конструкций и технол. гибких метал. трубопроводов.
Перлов Станислав Валентинович, нач. отдела НИО - 8440 ОАО НИИТ. Дипл. электромеханик (УАИ, 1975). Иссл. в обл. проектир. гибких трубопроводов, разработки оборудования для их производства и испытаний.
Ахматвалиев Рамис Габи-дуллаевич, ст. преп. каф. ОКМиМ УГАТУ. Дипл. инженер по техн. эксплуатации летат. аппаратов и двигателей. Иссл. в области проектир. и испытания гибких металлич. рукавов.
