Методика расчета силовых зависимостей в гидравлических соединениях трубопроводов сельскохозяйственных машин (обзор)

УДК 631.354.2.004

А. Д. Дьяченко, В. В. Беднарский, Д. В. Лайко

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ ТРУБОПРОВОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Целью исследований являлось изучение динамических процессов в трубопроводных системах сельхозмашин, выявление нагрузочных режимов, существенно влияющих на работоспособность гидравлических соединений. Установлено, что применение непаяных соединений в гидравлических трубопроводах сельхозмашин позволит снизить затраты на их производство и эксплуатацию. Момент затяжки с вероятностью обеспечения заданных удельных давлений на сопрягаемых поверхностях (у = 0,95) в непаяном соединении трубопроводов гидросистем сельхозмашин должен быть на два порядка выше, чем у паяного соединения и зависит от допусков на изготовление внутреннего диаметра разрезного ниппеля, наружного диаметра трубопровода, а также коэффициентов трения в резьбе и на торце гайки. Обеспечение герметичности непаяных соединений 12*0,9 мм достигается, когда значения моментов затяжки находится в пределах от 20 до 70 Нм. Исследование поперечных колебаний секций трубопроводов различной длины и типоразмеров показало, что при длине секций более 0,7 м возможны резонансные явления в трубопроводе. При расположении промежуточного соединения посередине секции трубопровода возможна потеря его герметичности от действия вибрационных нагрузок.

Ключевые слова: гидравлический трубопровод, паяное соединение, непаяное соединение, момент затяжки, вибрационная нагрузка.

A. D. Dyachenko, V. V. Bednarsky, D. V. Layko

METHOD FOR CALCULATING POWER DEPENDENCIES IN HYDRAULIC CONNECTIONS OF PIPELINES IN AGRICULTURAL MACHINES

The purpose of the given research was to investigate dynamic processes in piping systems of agricultural machines, to find out load mode having significant influence on working efficiency of hydraulic connections. It was stated that the use of solderless connections in hydraulic piping systems of agricultural machines will allow reducing cost on manufacturing and exploitation of agricultural machines. A tightening torque for providing the given specific pressure on mating surfaces (y = 0.95) in solderless connection of piping hydro systems in agricultural machines must be two times higher than that one of solder connection and it depends on manufacturing tolerance of internal diameter of pipeline as well as friction coefficient in thread and nut end. Hermiticity of solderless connections 12*0.9 mm can be provided when the level of tightening torque rates from 20 to 70 Nm. The investigation of transversal vibrations in piping system of various length and size showed that having section length more than 0.7 meters the resonance actions may happen in piping systems. In case intermediate connections are located in the middle of the piping section there is some danger of losing its hermiticity because of vibration loading.

Key word: hydraulic pipeline, solder connection, solderless connection, tightening torque, vibration loading.

Уровень надежности зерноуборочных комбайнов и другой сельскохозяйственной техники в значительной мере определяется уровнем надежности гидравлических систем. Современные сельскохозяйственные машины характеризуются наличием сложных пространственных гидросистем с большим количеством соединений. В качестве соединительной арматуры применяют паяные соединения трубопроводов. Такие соединения в условиях эксплуатации имеют недостаточно высокий уровень надежности. Основной причиной этого является низкая надежность места пайки ниппеля к трубопроводу. Выход из строя соединений трубопроводов гидравлических систем сельскохозяйственных машин нарушает работу рабочих органов, затрудняет выполнение технологических процессов, увеличивает простой в уборочный сезон из-за ремонта паяных соединений в полевых условиях.

За последние годы проблеме повышения надежности соединений трубопроводов гидросистем самолетов, станков, мобильных машин уделяется все большее внимание [1].

Повышение работоспособности гидросистем за счет применения конструкции непаяного соединения позволит снизить затраты на производство и эксплуатацию гидросистем сельскохозяйственных машин.

Установлено, что момент затяжки непаяного соединения зависит от допусков на изготовление внутреннего диаметра разрезного ниппеля, наружного диаметра трубопровода, а также коэффициентов трения в резьбе и на торце гайки. Принимая рассеивание этих параметров близким к нормальному, были определены средние квадратические отклонения от среднего значения момента затяжки:

ЭМ

+

ЭМ

• s;,+

ЭМ

. Эб............................

Частные производные как функции нескольких аргументов определялись по выражениям:

ЭМ dр S /л<р + f" 2 у - г3

__________кл ср в ср и ^_____Г" _н_____________в_

е^~ 2 ’l-(s/лd )• Г 3 г2 - г2

V ср / л н в

ЭМк, _ ^)2

Г у 2 (Ях/йруГ)2 ’

ЭМ 2- г3 - г3

кл _ / ) н в

Г" 3 г2 - г2’

нв

где у - осевое усилие затяжки, действующее в соединении; dср - средний диаметр резьбы;

Г" - приводной коэффициент трения в резьбе;

Г" - приводной коэффициент трения на торце гайки; гн и гв - радиусы окружностей опорной поверхности гайки.

В предположении нормального распределения случайной величины последняя находится в пределах:

М -ихМ <М <М +ияМ ,

кл р Мкл кл кл р Мкл 5

где ир - квантиль нормального распределения, соответствующий заданной вероятности.

В таблице 1 представлены значения момента затяжки непаяных соединений трубопроводов при вероятности у _ 0,95 .

Таблица 1 - Параметры непаяных соединений с разрезным ниппелем

Параметры непаяных соединений с разрезным ниппелем Трубопровод

12*1,2 мм 12*0,9 мм 8*0,7 мм

Среднеквадратические отклонения рассматриваемых величин, Н

3924,4 3334 1670

х- - 0,0166 -

¡¡,. 0,0133

х °МШ 13,8 11,7 5

Момент затяжки Мкл, Нм

Минимальный 19,2 16,4 9,3

Средний 41,9 35,6 15,6

Максимальный 64,6 54,8 29,9

Экспериментальное исследование момента затяжки непаяных соединений трубопроводов с разрезным ниппелем были проведены в ГСКБ завода тракторных гидроагрегатов (г. Москва). Соединения подвергалось двадцативосьмикратной переборке. При полной герметичности минимальные и максимальные моменты затяжки непаяных соединений с разрезным ниппелем для трубопроводов 12*0,9 мм, например, составили соответственно 20 Нм и 70 Нм, что находится в удовлетворительном согласии с расчетными значениями.

Одним из условий работоспособности соединений трубопроводов является обеспечение герметичности при действии вибрационных нагрузок изгибного характера. Если по конструктивным соображениям соединение трубопроводов приходится располагать посередине секций, соединение может подвергаться действию изгибающего момента вибрационного характера. В этом случае возникает необходимость прогноза работоспособности соединения с точки зрения обеспечения герметичности в течении заданного срока службы [2, 3].

Рассмотрим в связи с этим влияние массово-геометрических характеристик трубопроводов на их вибрационное состояние, а также влияние массы соединения на колебания трубопровода.

С достаточной для инженерной практики точностью секцию трубопровода (участок между опорами) можно рассматривать в виде колебательной системы с распределительными параметрами - двухопорную балку с шарнирными опорами по концам [2]. С этих позиций рассмотрим колебания трубопроводов гидросистем сельхозмашин.

На рисунке 1 представлена динамическая модель секции трубопровода.

Секция трубопровода здесь представлена в виде системы с распределенной массой интенсивностью:

то _ ^хУх ^ ^жУж ,

где Fт, FЖ - площадь поперечного сечения трубопровода и живого сечения трубы;

ут ,уЖ - плотность материала трубы и жидкости.

Рисунок 1 - Динамическая модель секции трубопровода

Вследствие вибрационных воздействий от опор А и В (вибрации корпуса машины) на систему действует инерционная нагрузка, которая так же, как и масса является распределенной, обусловленной виброускорениями опор. С некоторыми допущениями (синхронность и синфазность виброускорений опор А и В, рассмотрение только первой формы колебаний секции) можно записать:

q — mo Zn,

1 o o “

где Zo- виброускорение опор.

Если закон изменения виброускорений корпуса машины носит синусоидальный характер, то:

q(t)- m Z cosrat,

1 \ / o max 5

где ra - частота изменения виброускорений.

Для упрощения анализа системы с распределенными параметрами и распределенным воздействием q (t) заменим распределенную нагрузку q эквивалентной ей сосредоточенной R, такой, при которой прогибы балки в сечении z -1 /2 одинаковы при воздействии R и q, т. е.:

у _ Rl3 _ 5ql4

Утах _ 48Е7 ~ 384Ё7 ‘

Отсюда находим:

R _ 0,75ql.

В дальнейшем представленную на рисунке 1 модель рассматриваем в виде системы с распределенными параметрами и сосредоточенными внешним воздействием:

Щ) _ 0,75т ¡2 соэю?.

V / 5 о тах

Считаем также, что диссипативные характеристики по длине трубопровода постоянны и характеризуются коэффициентом:

5

а_-----,

пРк

где 5- логарифмический декремент затухания;

Рк - частота собственных колебаний системы.

Изгибная жесткость Е7 трубопровода по длине также постоянна.

С учетом принятых допущений дифференциальное уравнение колебаний секции трубопровода имеет вид:

l

EJ—+EJa— dZ4 dt

dZ4

+ m

dt2

R cosrot,

J ^ у

где EJ - изгибная жесткость трубопровода;

а - коэффициент диссипативных характеристик трубопровода; mo - частота изменения виброускорений;

l - длина секции трубопровода.

Решение этого уравнения отыскивается по методу главных координат. Из решения было найдено выражение для амплитуды изгибающего момента в среднем сечении трубопровода:

2п2(m, + 0,75ml)Z cosrotEJ ^ K2

M =—v 1 /------------Ц-^---------у

max / \ї3

(mo+ mi)l 3 K=1,2,3 PK

где ¿о - виброускорение опор;

Рк - собственная частота системы с учетом приведенной массы соединения, равная:

к " "1,[(17/35)т1 + тоI]3'

Расчет амплитуд колебаний секций трубопроводов с учетом и без учета массы промежуточного соединения производился на ЭМВ. Анализ результатов колебаний секций трубопроводов с промежуточным соединением показал, что они имеют более низкую собственную частоту колебаний и большую амплитуду вибронапряжений по сравнению с секциями, не имеющими соединений. На рисунке 2 представлены графики зависимости амплитуды вибронапряжений в трубопроводе от частоты возмущающего воздействия при различных длинах I.

КО

120

80

60

20

/ /1=Ш Ю мм

Л ^ 1=12і Ю мм

/ /и 1100 м V

/ ' / ^¡=ЮС 0 мм

/ // 900м/ — 1=8, 1 10мм

// // "1=7 10 мм

]//

50 100 150 200 со, С

Рисунок 2 - Графики зависимости амплитуды напряжений от частоты

Разработана методика прогноза работоспособности соединения в вероятностном аспекте в течение заданного срока службы с учетом рассеивания характеристик сопротивления, действующих на соединение нагрузок и рассеивания параметров этих нагрузок для всего парка машин. Из условия разрушения:

М=а 1 - а < 0,

-\q а ’

гдеа-1<г - предел выносливости соединения; аа - амплитуда напряжений в трубопроводе.

Квантили определялись по формуле:

1 — ^

и = , 1 п = ,

Р лп 2¥21 + ¥2

V а-19 аа

где п - условный коэффициент запаса прочности;

^ ,¥а - коэффициент вариации величин а-1q и аа, по которым определялись вероятности разрушения для всего парка машин.

Были определены коэффициенты вариации ¥а , вызванные рассеиванием амплитуд виброускорений различных сельхозмашин, а также рассеиванием наружного и внутреннего диаметров трубопровода. Кроме того, для расчетов квантилей были использованы результаты усталостных испытаний соединений. Эти материалы легли в основу расчета квантилей по формуле (1). По квантилям были построены графики, представленные на рисунке 3, зависимости вероятности разрушения соединений различных типоразмеров от длины секции.

Графики построены для существующих уровней вибраций корпусов сельхозмашин, измеренных в полевых условиях, и могут быть использованы в практике проектирования трубопроводных систем сельхозмашин и тракторов.

На основании полученных данных можно сделать выводы:

- момент затяжки с вероятностью обеспечения заданных удельных

давлений на сопрягаемых поверхностях (у=0,95) в непаяном соединении

трубопроводов гидросистем сельхозмашин должен быть на два порядка выше, чем у паяного соединения;

и

О

-2

-3

-5

-6

1

2 3

4 5

20

5

1

0,2

Ю'г 10н 10-6

0,6 0,7 0,8 0,9 ю 1,1 1,2 13 1А 1,5 1х102мм

1 - паяные соединения, трубопровод

Рисунок 3 - Вероятность разрушения соединений трубопроводов

- в качестве расчетной схемы гидравлического трубопровода сельскохозяйственных машин можно принимать двухопорную балку с шарнирными опорами, так как максимальные амплитуды вибронапряжений по длине трубопровода возникают в средних сечениях, вблизи опорных узлов напряжения практически равны нулю;

- исследование поперечных колебаний секций трубопроводов различной длины и типоразмеров показало, что при длине секций более 0,7 м возможны резонансные явления в трубопроводе.

Список использованных источников

1 Анализ надежности (безотказности) отечественных и зарубежных тракторов / Д. Г. Купрюнин [и др.]. - М.: «Столичная типография», 2008. -96 с.

2 Грошев, Л. М. Гидравлический привод в агропромышленном комплексе: науч. издание / Л. М. Грошев, А. Д. Дьяченко. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2006. - 227 с.

3 ГОСТ 7057-82. Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний [Электронный ресурс]. - Взамен ГОСТ 7057-81; введ. 01.01.2003. -Режим доступа: http://www.standartov.ru/Pages_gost/6316.htm.

Дьяченко Анатолий Дмитриевич - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»).

Контактный телефон: 89281371895.

E-mail: ngma_meh@mail.ru

Dyachenko Anatoliy Dmitriyevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education «Novocherkassk State Meliorative Academy» (FSBEE HPE “NSMA”).

Contact telephone number: 89281371895.

E-mail: ngma_meh@mail.ru

Беднарский Виктор Витальевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»).

Контактный телефон: 89185097924.

E-mail: ngma_meh@mail.ru

Bednarskiy Viktor Vitalyevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education «Novocherkassk State Meliorative Academy» (FSBEE HPE “NSMA”).

Contact telephone number: 89185097924 E-mail: ngma_meh@mail.ru

Лайко Денис Владимирович - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»).

Контактный телефон: 89281393900.

E-mail: euroroads@mail.ru

Layko Denis Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education «Novocherkassk State Meliorative Academy» (FSBEE HPE “NSMA”).

Contact telephone number: 89281393900.

E-mail: euroroads@mail.ru