Научная статья на тему 'Проектирование и производство гибких металлических трубопроводов'

Проектирование и производство гибких металлических трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
342
159
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИБКИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ТРУБОПРОВОД / НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ / АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / ЦИКЛО-ПРОЧНОСТЪ / ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Итбаев Валерий Каюмович, Брюханов Анатолий Михайлович, Мирсаев Рафаиль Нуриевич, Перлов Станислав Валентинович, Ахматвалиев Рамис Габидуллаевич

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Итбаев Валерий Каюмович, Брюханов Анатолий Михайлович, Мирсаев Рафаиль Нуриевич, Перлов Станислав Валентинович, Ахматвалиев Рамис Габидуллаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Проектирование и производство гибких металлических трубопроводов»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.