CC BY
0
УДК 629.7.018.3
РАСЧЕТ БАЛКИ КАРУСЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ БПЛА
Е. П. Гарцева*, М.Г. Елизарьева Научный руководитель - Г. Д. Коваленко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: katya.gartseva.00@mail.ru
В данной работе рассмотрен порядок расчета элемента соединения карусельного стенда для испытаний БПЛА. Проведен анализ выбора фланцевого соединения, а также оценка опасных сечений этого соединения.
Ключевые слова: БПЛА, фланец, фланцевое соединение, фитинг, прочность.
CALCULATION OF THE BEAM OF THE CAROUSEL STAND FOR TESTING UAV
E. P. Gartseva*, M.G. Elizareva Scientific Supervisor - G.D. Kovalenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: katya.gartseva.00@mail.ru
In this article, the procedure for calculating the connecting element of a carousel stand for testing unmanned aerial vehicles is considered. The analysis of the choice of a flange connection, as well as an assessment of the dangerous cross-sections of this connection, is carried out.
Key words: UAV, flange, flange connection, fitting, strength.
Расчет в данной работе важен с точки зрения прочности конструкции для испытания беспилотного летательного аппарата (БПЛА) [1]. Рассматриваемый стенд должен быть практичным в использовании, легко собираемым, транспортабельным и надежным, выдерживая все нагрузки, которые будут возникать во время испытаний. Исходя из данных условий, было принято решение сделать стенд разборной конструкции с применением фланцевого соединения. Фланец - это кованое или литое металлическое кольцо, предназначенное для соединения двух частей трубы. Фланцевые соединения, отличаются прочностью и надежностью, при этом характеризуются простотой сборки.
Важно рассчитать элементы фланцевого соединения на условное давление и затяжку болтов при нормальной температуре. Полученные размеры проверить на рабочие условия. А также, нужно вычислить критические значения прочности в опасных сечениях фланца.
Подобрали стандартизированный фланец для трубы заданного диаметра. Выбрали стальной фланец, плоской формы, приварной из условия простоты и надежности самого фланца. Определили его размеры [2]: номинальный внутренний диаметр DN=65 мм, номинальное давление: PN=2,5 кгс/см2, внешний диаметр фланца D=160 мм; диаметр между центрами отверстий под болты D1=130 мм, болты М12. Преступим к расчетам.
Определение болтовой нагрузки в фланцевых соединениях [3].
Нагрузка на болты и шпильки от внутреннего давления находят по формуле:
Qъ = Qд + Яп, (1)
где QБ - нагрузка на болты; Qд - нагрузка на болты от внутреннего давления в аппарате; ЙП -нагрузка на прокладку, необходимая для её смятия. Нагрузка от давления среды равна:
_ , , . (0,126+0,075)
_1-ч А ^ тт
Qд = PE£Г= 105 • --^— = 792,87Н (2)
где р - внутреннее давление среды; Дп- средний диаметр прокладки.
Нагрузка ЯП на прокладку зависит от внутреннего давления, конструкции уплотняемых поверхностей, а также конструкции, материала и качества прокладки:
КП=т-р-п-О-в0 = 2,75 ■ 105 -3,14 -0,126 -0,006 = 652,806Н, (3)
м
где т - коэффициент удельного давления на прокладку, во - эффективная ширина прокладки.
Тогда нагрузку на болты можно представить следующим образом:
= 792,87 + 652,806 = 1445,68Н (4)
м
Нагрузка на болты при их затяжке QБ\, необходимую для начального смятия прокладки рассчитывается по формуле:
= 0,5 -р - л- - Я ■ оОБЖ = 0,5 ■ 105 -3,14 -0,126 -10 ■ 106 = 395640 ■ 10бН, (5)
м
где ^ОБж - удельное давление обжатия, которое нужно создать на поверхности прокладки для её смятия.
При расчёте фланцевого соединения на условное давление принимают большее из значений: QБ или QБ1. Следовательно, расчет ведем по .
Расчёт фланцевого соединения с учётом изгибающего момента [4]. Здесь фланцевое соединение нагружено не только внутренним давлением, но и внешним изгибающим моментом. Появляется дополнительная нагрузка на болты, которую можно определить следующим образом. Фланец сжат несколькими болтами; площадь поперечного сечения каждого болта - ^Б; общая площадь поперечного сечения болтов равна:
общ = п ■ = п ■ ^ = 4 ■ 0,842 = 0,0475м2, (6)
где п - количество болтов.
Заменим площадь поперечного сечения болтов эквивалентной площадью поперечного сечения кольца со средним диаметром (средний диаметр прокладки):
пй2
-■п = п-Оп-8, (7)
где - внутренний диаметр резьбы болта [2]; п - число болтов; 3 - толщина стенки фланца:
а02п 0,0107732-4 ппп.„ , л
5 = — = (0,126+0,075) = 0,0012м (8)
2
Момент сопротивления кольца:
Ж = ^ = ЗД4-0Д005^0'0012 = 9 514 ■ 106м3 (9)
4 4' 4 '
Напряжение изгиба в кольце:
1 л'1 4~т12 16/ 4-57.99-32 ,, Н
а = - = = = Т =--= 4571,2 ■ 103^г, (10)
Ш пОп28 пОп28 пй0пОп ЗД4-0Д0052-0,0012 м2 4 '
где т = тб + шнагр + штрубы = 10 + 10 + (7800 -(3,14 ■ (0,0762 - 0,0652)) = 57,99кг
Отсюда дополнительная нагрузка ци на один болт, возникающая от действия внешнего изгибающего момента равна:
пй2 4М „ ЗД4-0Д07732 .лгаглН
4* = °—=^: = 4571,2 ■103—;— = 41646,1н (11)
Изгибающий момент будет равняться:
М=^ = 41646Д-40Д005 = 4 1 85,43 Н -м (12)
4 4 4 '
Общая дополнительная нагрузка на болты фланцевого соединения:
п 4М
Q и = ЧиП = —
4-4185,43 „ .,гп. . Н
-— = 166584,40,1005 м
(13) соединение
Поэтому при наличии внешнего изгибающего момента фланцевое рассчитывают на большую из нагрузок @Бф или @1Бф [1]:
@БФ = QБ + QИ = 1445,68 + 166584,4 = 168030,1Н (14)
м
^1БФ = QБ1 + = 39564 ■ 106 + 166584,4 = 39564,2 ■ 10бН (15)
м
Конструирование и прочностной расчёт приварного в стык фланца [5]. Такие фланцы рассчитываются под действием силы QБФ на изгиб как консольную балку в опасных сечениях по линии АВ и ВС (рис.1).
Рис. 1. Опасные сечения в разрезе фланцевого соединения
Обозначим: Б - диаметр втулки фланца; 51 - толщина втулки фланца; БС - средний диаметр втулки фланца; И - толщина кольца фланца. Изгибающий момент в сечении по линии АВ:
МАВ =QБФ■l = QБФ • фБ - £)5)/2 = 168030,1 ■ ((0,130 - 0,112)/2) = 1512,27Н -м Момент сопротивлению изгибу площади опасного сечения:
Ш =
3,14-0,112-0,014
6 6 Напряжение в сечении по линии АБ:
7 6Qиl 6 166584,4 0,009
= 8,2 ■ 10_4м3
(16) (17)
= 130,5 ■ 106 > [а]
(18)
П05п2 3,14-0,112-0,0142
Исходя из результатов расчета, необходимо усилить данное сечение. Для усиления будем использовать пресс-фитинг из условий необходимой прочности и быстроты монтажа. Изгибающий момент в сечении по линии ВС:
Мвс = 0,4 -^БФ ■ 1г = 0,4 ■ 168030,1 ■ ((0,112 -0,094)/2) = 604,9 Н, (19)
где 0,4 - коэффициент, учитывающий жёсткость фланца; - плечо силы QБф. Момент сопротивления изгибу площади опасного сечения:
^ВС= 6
Напряжение изгиба по линии ВС:
/ 6^1 0ВС _ _
3,14Ю,094Ю,0362
6 166584,4 0,036
= 63,8- 10~6м3
= 621,98- 106 > [а]
(20)
WВС пОсН2 3,14^0,094^0,0142
Исходя из результатов расчета, необходимо усиление данного сечения. Повысим прочность сечения использованием пресс-фитинга во фланцевом соединении. Момент сопротивления изгибу:
(21)
Ж = = 3,14-0,065
где БН - наружный диаметр патрубка фланца. Напряжение изгиба во фланце:
0,0142
= 47,6 ■ 10
"5м3,
(22)
а = - = = 3175,5 • юз < [а] (23)
W 47,6-Ю"5 v '
Исходя из результатов расчета, сварной шов выдержит напряжение на изгиб.
В работе проведен расчет на прочность фланцевого соединения карусельного стенда для испытаний БПЛА. Расчет отличается некоторой сложностью: во время испытаний на стенд, а, в частности, на соединение конструкции, будут возникать некоторые силы, стремящиеся разрушить конструкцию. Чтобы выяснить нагрузки, возлагаемые на стенд, был выполнен расчет на прочность опасных сечений. По полученным результатам можно сделать вывод, что рассмотренная конструкция выполняет условие прочности.
Библиографические ссылки
1. Е.П. Гарцева, М.Г. Елизарьева, Б.В. Споткай. Анализ эксплуатационных параметров циклолета, применительно в сельском хозяйстве / Актуальные проблемы авиации и космонавтики: сб. статей, том 2 - Красноярск, 2021. - с. 609-611.
2. Размеры фланцев согласно ГОСТ. Виды и типы. Маркировка. [Электронный ресурс]. URL: https://bydom.ru/news/read/tablicy-razmerov-flancev-po-gost.html (дата обращения: 30.03.2022).
3. HELPIKS.ORG Расчет фланцевых соединений [Электронный ресурс]. URL: https://helpiks.org/2-94410.html (дата обращения: 30.03.2022).
4. МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ Основные нормы взаимозаменяемости РЕЗЬБА МЕТРИЧЕСКАЯ Основные размеры [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200038934 (дата обращения: 01.04.2022).
5. HELPIKS.ORG Приближённые методы расчёта фланцев [Электронный ресурс]. URL: https://helpiks.org/2-94412.html (дата обращения: 01.04.2022).
© Гарцева Е. П., Елизарьева М.Г., 2022
