Под тонкостенными понимают трубы, в которых отношение наруж­ ного диаметра d трубы к толщине 5 ее стенки удовлетворяет условию

			i =	-S>	16.
При расчетах труб временное сопротивление может быть принята
по приведенным ниже данным
Материал т р у б ...............................				нержавеющая сталь				сталь 20	ЗОХГСА
Временное сопротивление в к Г / с м 2					5500			4100		12 000
Ниже приведены значения разрушающих давлений для труб из рас­
пространенных материалов.
Диаметры	сечения трубы		6X4	8 X 6	10x8	12x10 14X12 16X14 18X16 20Х1В
	м м
	Трубы	из ста­	2070	1500	1170	960	820	640	565	505
Разрушаю­	ли 1Х18Н9Т
щее давле­	(авР=56	к Г \ м м 2)
ние,
к Г / с м 2	Трубы	из ста­	1360	980	760	620	530	455	400	360
	ли 20	(авр=

=400 к Г / м м 2)

Для распространенных случаев применения гидравлических передач коэффициент запаса прочности обычно выбирают равным 3—4. Для благоприятных условий работы, характеризуемых в основном отсут­ ствием ударных нагрузок, коэффициент запаса прочности можно снизить до 2—2,5.

При расчете прочности труб принимают фактическую либо мини­ мально возможную толщину стенки с учетом принятого допуска на коле­ бания размеров труб.

Толщину стенки с учетом отклонения в размерах диаметра и тол­ щины стенки вычисляют по выражению

s = p(d+jn)

(341)

2 с р п

где т = 0,3— отклонение по диаметру трубы в мм (ГОС! 8734—58); я = 0,9 — коэффициент, учитывающий отклонение по толщине стенки

трубы (ГОСТ 8734—58).

Для толстостенной трубы [i = —< 16^, в которой напряжение изме­

няется от максимального значения на внутренней стенке до минималь­ ного на наружной стенке, применяют формулу Ляме:

d2 + 2s + 252

(342)

..f c f r - , )

Минимальную толщину стенки для этих труб вычисляют по выра­ жению

(343)

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ ТРУБОПРОВОДОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

Трубопроводы в полете самолета подвергаются одновременно на­ грузкам статического и динамического характера. К первым относятся рассмотренные статические нагрузки, обусловленные внутренним давле­

361

нием жидкости, и нагрузки, развивающиеся при монтаже трубопровода, а также возникающие в результате температурных деформаций трубо­ проводов и элементов конструкции самолетов. Ко вторым относятся нагрузки, возникающие при частотных деформациях (колебаниях) тру­ бы, обусловленных пульсацией давления жидкости, гидравлическими ударами, а также колебаниями (вибрацией) самих трубопроводов, вы­ зываемыми внутренними и внешними возмущениями.

Следовательно, напряжения, возникающие в материале трубопро­ вода, создаются суммой перечисленных составляющих, причем основное место в этой сумме занимают составляющие, обусловленные динамиче­ скими факторами, и в особенности при частотной их повторяемости. В соответствии с этим подавляющее большинство разрушений трубопро­ водов летательных аппаратов носит усталостный характер, обусловлен­ ный механическими вибрациями трубопроводов и колебаниями (пульса­ циями) давления жидкости.

Вероятность подобных разрушений зависит от совершенства кон­ струкции, а также качества технологии изготовления и монтажа деталей из труб. К последним факторам в первую очередь относятся искажения пилиндричности сечения трубы при изгибе, кривизна изгиба, монтажные напряжения, дефекты, приводящие к резонансным колебаниям труб, и прочие факторы.

Наиболее вероятными и значительными из этих факторов являются колебания (пульсации) давления жидкости, обусловленные кинематикой и особенностями режима работы насосов, а также забросы давлений, могущие возникнуть по многим причинам, наиболее вероятными из ко­ торых являются гидравлические удары, наблюдающиеся при мгновенном срабатывании различных клапанов, и частотные колебания, возникаю­ щие при работе насоса в режиме кавитации (см. стр. 89).

Колебания значительной амплитуды могут наблюдаться при парал­ лельной работе на общую сеть нескольких насосов, и в особенности при синхронной их работе. Так, например, зафиксирован случай, когда амплитуда пульсаций давления в трубопроводе самолетной гидросисте­ мы, питаемой двумя поршневыми насосами, установленными на одном двигателе, возросла в четыре раза в сравнении с амплитудой при работе одного насоса.

Влияние на прочность трубопровода овальности его сечения

Наблюдения показывают, что значительная часть случаев разруше­ ния трубопроводов, и в особенности при пульсациях давления, вызвана нарушением цилиндрической формы их поперечного сечения в производ­ стве. Деформация под давлением трубы круглого сечения происходит за счет неравномерного удлинения слоев, лежащих на периметре ее сечения, в то время как деформация трубы овального сечения в основном про­ исходит за счет изменения его под давлением из овального сечения в круглое. Поэтому в точках наибольшей кривизны овального сечения возникают высокие напряжения, величина которых зависит от сплющен­

ности	(овальности) пеперечного сечения и характеризуется отношением
k ~ ~	или kr = ——^100%, где а и b — размеры малой и большой осей
о	о
овала	(рис. 291).

В соответствии с этим овальность в условиях пульсирующего давле­ ния значительно снижает срок службы трубопровода; так при &= 0.8 долговечность при пульсирующем давлении может быть уменьшена в 10 и более раз по сравнению с круглой трубой. Трубы из легированных сталей, как правило, допускают меньшую величину овальности, чем из углеродистых сталей.

На рис. 291 приведены экспериментальные данные по влиянию овальности поперечного сечения стального трубопровода (сталь 20), характеризуемой величиной k, на срок его службы. Испытания прове­ дены при пульсации давления от 0 до ПО кГ/см2 с частотой 70 гц.

Рис. 291. Влияние овальности поперечного сечения тр у ­ бопровода на срок его служ бы

Испытания показали, что правка (рихтование) трубопроводов для устранения овальности не повышает усталостной прочности, поскольку уменьшение искажения сечения трубы в одном месте сопровождается обычно искажением в другом. Кроме того, в результате правки трубо­ провод зачастую приобретает сечение, близкое к квадратному, при ко­ тором концентрация напряжений в сравнении с неправленным, повы­ шается.

Влияние на прочность радиуса гиба трубы

Под действием сил давления жидкости изогнутый трубопровод стремится распрямиться, в результате в месте максимальной его кривиз­ ны могут возникнуть значительные напряжения, приводящие при частот­ ных колебаниях давления к усталостным разрушениям. Поскольку в зоне максимальной кривизны имеет место максимальная сплющенность (овальность) сечения трубы, эта зона является наиболее вероятным местом разрушения.

Таким образом, долговечность изогнутого трубопровода с овально­ стью поперечного сечения снижается с увеличением кривизны гиба. Так,

например, при коэффициенте		овальности &'=15% пределу				усталости
прямолинейного участка (при частоте нагружения 40—60 гц)						стальной
трубы (материал	1Х18Н9Т,	0 12X0,9 мм)		соответствует		давление
250 кГ/см2, а для	изогнутой	трубы	(радиус	изгиба	равен	2d, где
d — наружный диаметр сечения трубы)			с тем же коэффициентом оваль­
ности— давление	180 кГ/см2. При /г'=10% давления,				соответствующие

пределам усталости овальных прямой и изогнутой труб, соответственно составляют 320 и 240 кГ/см2. При коэффициенте овальности k'= (3,5ч-4) % снижения предела усталости изогнутой трубы по сравнению с прямой

впределах принятого числа циклов нагружения практически не наблю­ дается. Для изогнутой трубы с недеформированным поперечным сече­ нием и плавным изгибом (радиус кривизны больше 3d) снижения пре­ дела усталости в сравнении с прямолинейной трубой практически не на­ блюдается. По этой причине на участках гидромагистрали, работающих

вусловиях высоких пульсирующих давлений, рекомендуется применять радиусы гиба R>3dy где d и R — внешний диаметр трубопровода и радиус гиба его оси.

363

Влияние монтажных напряжений

Сопротивляемость трубопровода усталостным нагрузкам значитель­ но снижается при наличии монтажных напряжений, которые возникают в основном вследствие несовпадения осей сечений трубы и узлов их креп­ ления, а также вследствие температурных деформаций и несоблюдения размерной точности. Монтажные напряжения могут также возникнуть при неудачном креплении двух трубопроводов разных диаметров общими колодками, при этом подгибка одного трубопровода создает дополни­ тельные напряжения во втором.

Опыт показывает, что при высоких монтажных напряжениях уста­ лостные разрушения трубопровода могут возникнуть даже при наличии вибрации небольшой амплитуды.

Влияние на усталостную прочность трубы качества ее поверхности и механических дефектов

На величину предела усталости деталей из труб оказывает влияние также качество и механические дефекты их поверхности. Шероховатость, риски, волосовины, закаты, вмятины, забои и другие дефекты являются концентраторами напряжений и понижают предел усталости, причем

утруб из высокопрочных сталей это влияние сказывается сильнее, чем

унизкопрочных.

Особо следует отметить влияние на срок службы овального (k' = 5%) трубопровода неровностей и шероховатости на внутренней по­ верхности трубы. Опыты показывают, что наличие неровностей с относи­ тельной глубиной 1—2% от толщины стенки может привести к уменьшению долговечности стальной трубы в сравнении с трубой без неровностей в 6—10 раз.

Развитию усталостных трещин способствует шероховатость внутрен­ ней поверхности трубопровода, при известной величине которой долго­ вечность его может снизиться в несколько раз. Причем предел усталости в значительной мере определяется относительной глубиной и заостренностью самой большой впадины, значение которых определяет концент­ рацию напряжения.

Указанное влияние шероховатости особенно заметно сказывается в случае изогнутых трубопроводов.

На срок службы трубопровода большое влияние также оказывают микротрещины на внутренней его поверхности, у вершин которых может возникнуть высокая концентрация напряжений. Эти микротрещины при переменных внешних деформирующих силах получают в условиях запол­ нения трубы жидкостью благоприятные возможности развития. Послед­ нее обусловлено тем, что адсорбированные вещества при деформациях трубопроводов проникают в микрощели и затрудняют смыкание послед­ них, способствуя тем самым их расклиниванию.

Расчет усталостной прочности труб

Результаты испытаний показывают, что усталостная прочность труб значительно ниже прочности соответствующего материала, из которого изготовлены эти трубы.

В общем случае допустимое напряжение для труб, работающих в условиях усталостных нагружений пульсирующим давлением с ампли­ тудой пульсации ~ 40-f-50% рабочего давления, должно быть снижено примерно в 2 раза в сравнении с допустимым напряжением для труб, ра­ ботающих в условиях статического нагружения.

Учитывая это, ориентировочные расчеты стальных труб можно про­ изводить для распространенных условий нагружения и качества изготов­

364

ления труб по приведенным выше выражениям (341) —(343) с 50%-ным снижением допустимых напряжений. Практически при расчетах можно принимать, что предельно допустимое усталостное напряжение стандарт­ ной бесшовной трубы из углеродистой стали (типа стали 20) рав­ но ~ 1800 кГ/см2, а из нержавеющей стали ^ 2100 кГ/см2.

Очевидно, что приведенные приближенные данные подлежат уточне­ нию в зависимости от специфики условий изготовления и эксплуатации трубопроводов.

РЕЗО Н АН СН Ы Е КОЛЕБАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Рассмотренные вопросы усталостной прочности трубопроводов тесно связаны с их колебаниями и в особенности с резонансными колебания­ ми, из которых наиболее вероятными и опасными с точки зрения раз­ рушения являются изгибные поперечные колебания. Эти колебания могут возникать в результате вибраций и относительного перемещения частей самолета, к которым крепятся трубы, а также в результате воз­ действия на трубопровод рассмотренных выше сил давления жидкости при пульсирующем их характере.

Очевидно, что если один конец трубы будет колебаться вследствие вибрации частей самолета относительно другого с частотой, равной частоте собственных колебаний рассматриваемого участка трубы, то труба вступит в резонансные колебания, при которых амплитуда колеба­ ний средней части трубы может в десятки и более раз превысить ампли­ туду возмущающих (возбуждающих) колебаний концов трубы. В ре­ зультате в трубопроводе могут возникнуть напряжения, превышающие предел усталостной прочности.

Изгибные резонансные колебания могут возникнуть также в резуль­ тате пульсации давления жидкости. Последнее обусловлено тем, что изогнутая труба будет стремиться под действием давления жидкости распрямиться; в результате при пульсирующем давлении жидкости изо­ гнутый участок трубы может вступить в изгибные (поперечные) колебания.

При совпадении частоты пульсаций давления в гидросистеме с соб­ ственной частотой колебаний (или одной из ее гармоник) рассматривае­ мого участка трубопровода возникнут резонансные колебания его.

Частота собственных колебаний какого-либо участка трубопроводов зависит от ряда факторов, и, в частности, от характера заделки его концов.

При жесткой заделке обоих концов, что наиболее соответствует рас­ пространенному в практике способу крепления трубопроводов в зажи­ мах, частоту собственных колебаний прямолинейного трубопровода можно определить с учетом веса заполняемой его жидкости по выра­ жению

	О)	(344)
где L — расстояние между опорами в см;
	Е — модуль упругости материала в кГ/см2;
	J — момент инерции сечения трубы в см4;
GT и	g — ускорение силы тяжести в см!сек2;
	— вес погонного метра трубопровода и жидкости в кг/см.

Частота собственных колебаний изогнутого участка трубопровода выше при всех прочих одинаковых условиях частоты прямолинейного участка, причем это превышение зависит от радиуса R изгиба трубы. Повышение частоты изогнутого трубопровода обусловлено увеличением его жесткости.

3 6 5