УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ

Установка для испытаний
Полезная модель относится к испытательной технике и предназначена для испытаний стальных труб и трубопроводной арматуры больших диаметров (1000 мм и более) на статическую и малоцикловую прочность и герметичность при совместном их нагружении внутренним давлением и внешними механическими нагрузками, действующими в условиях их реальной эксплуатации.
Известна установка для испытаний, содержащая силовой блок в виде замкнутой пространственной рамы, снабженный силовозбудителями, имитирующими внешние нагрузки, при этом рама имеет навесную систему механических обратных связей, обеспечивающую слежение внешних нагрузок за перемещениями испытуемой конструкции, в точке приложения поперечной силы на внутренней кольцевой поверхности верхней заделки установлен Т-образный бугель, имеющий две степени свободы, при этом в точке приложения осевой силы установлены зажимной шарнир с двумя эксцентричными шайбами. Обеспечивается возможность одновременного нагружения испытуемого изделия осевой и поперечной силами, изгибающим и крутящим моментами и создания внутреннего давления и теплового режима, (SU №150678 А1, МПК G01M 19/00, G01N 3/08, G01N 3/12, приоритет 16.11.1961, опубл. 01.01.1962 г., бюллетень изобретений, №19).
Недостатками данной установки являются:
- невозможность оперативно изменять плоскость воздействия изгибающего момента так как для изменения плоскости воздействия необходимо поворачивать изделие вокруг своей оси, в результате чего время проведении испытаний существенно увеличивается;
- чрезмерная громоздкость конструкции при испытаниях трубопроводов больших диаметров по причине воздействий на имеющуюся раму реактивных усилий от гидроцилиндров значительно увеличивает вес установки, а значит и затраты материала на изготовление данной установки;
Известно устройство для испытания труб, содержащее нагрузочные траверсы с профилированными ложементами, контактирующими с испытуемой трубой, шарнирно соединенные посредством тяг с гидроцилиндрами, при этом для измерения параметров при проведении испытаний устройство подключено к системе управления, снабженное измерительными устройствами (Свидетельство RU №25599 U1, МПК G01M 3/02, G01N 3/10, от 12.07.2002, опубл. 10.10.2002 г. и патент RU №2222800 С1, МПК G01N 3/10, G01N 3/36, от 11.07.2002, опубл. 27.01.2004 г.).
Недостатками данного устройства являются:
- отсутствие возможности нагружения испытываемой трубы осевой нагрузкой по причине отсутствия силовых элементов, действующих вдоль оси изделия;
- невозможность оперативно менять плоскость воздействия изгибающим моментом, так как для этого необходимо снять нагрузку и механически повернуть изделие вокруг своей оси;
- устройство нагружения в силу конструктивных особенностей обладает громоздкой рамой, воспринимающей реактивные усилия от гидроцилиндров, в результате чего вес устройства увеличивается, а значит увеличиваются и затраты материала на его изготовление;
- устройство в силу своих конструктивных особенностей не позволяет производить испытания трубопроводной арматуры.
Наиболее близким по совокупности признаков является устройство для испытаний образцов труб натурных размеров морских трубопроводов, содержащее четыре гидроцилиндра, силовые плечи, установленные на кольцевых ложементах, контактирующих с трубой или патрубками трубопроводной арматурой (Патент RU №136890 U1, МПК G01N 3/08, от 26.11.2012, опубл. 20.01.2014 г.).
Недостатками известной установки является то, что устройство в силу своих конструктивных особенностей обладает силовой рамой, в результате чего вес устройства увеличивается, а значит увеличиваются и затраты материала на его изготовление. Устройство не позволяет оперативно менять плоскость воздействия изгибающим моментом, так как для этого необходимо снять нагрузку и механически повернуть изделие вокруг своей оси, а также произвести нагрузку на образец чистым изгибом, так как отсутствует необходимая для компенсации неизбежно возникающей осевой нагрузки пара гидроцилиндров с противоположной стороны. Из-за наличия массивной рамы известное устройство не позволяет производить испытания трубопроводной арматуры, например, шиберной задвижки, регулирующих клапанов и т.п. Кроме того известная конструкция используется только для испытания трубопроводов, из-за того, что не обеспечивает возможность нагружения изгибающим моментом в плоскости параллельной оси запорного элемента трубопроводной арматуры (задвижки). Согласно формуле, силовые плечи монтируются на концах образца (трубы).
Технический результат заключается в возможности нагружения испытуемой трубы или трубопроводной арматуры, находящейся под давлением, чистым изгибом, осевым усилием, а так же комбинацией нагрузок в том числе изменением плоскости воздействия изгибающего момента при минимальных затратах материала при изготовлении устройства и существенном сокращении времени испытаний.
Для достижения указанного технического результата в установке для испытаний, содержащей четыре гидроцилиндра, силовые плечи, установленные на кольцевых ложементах, контактирующих с испытуемым изделием, согласно полезной модели, силовые плечи на кольцевых ложементах установлены взаимно перпендикулярно и радиально, попарно установлены напротив друг друга и соединены гидроцилиндрами двухстороннего действия, расположенными между каждой парой силовых плеч вдоль оси испытуемого изделия, посредством шаровых опорных узлов, закрепленных на краях силовых плеч.
Снабжение кольцевых ложементов взаимно перпендикулярными силовыми плечами с шаровыми соединениями, расположение пар силовых плеч каждого кольцевого ложемента против друг друга, а также размещенными между ними гидроцилиндрами двухстороннего действия, обеспечивает возможность проведения испытаний изделий (трубы или трубопроводной арматуры) больших размеров на статическую и малоцикловую прочность, имитируя все виды нагрузок, действующих в условиях реальной эксплуатации труб и трубопроводной арматуры. Обеспечивается возможность оперативно менять плоскость воздействия изгибающего момента без поворота изделия вокруг своей оси, а также нагружение изделия чистым изгибающим моментом без возникновения осевой нагрузки, за счет пары гидроцилиндров, расположенных с противоположной стороны. Обеспечивается возможность нагружения изгибающим моментом в любой плоскости, в том числе и в плоскости параллельной оси запорного элемента трубопроводной арматуры (задвижки).
Попарное соединение кольцевых ложементов с силовыми плечами посредством размещенных между ними гидроцилиндров двухстороннего действия позволяет исключить из конструкции громоздкую раму, воспринимающую реактивные усилия, что делает конструкцию устройства меньшей массы и приводит к снижению затрат материала на изготовление устройства,
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана установка для испытаний на статическую и малоцикловую прочность при совместном нагружении внутренним давлением и внешними механическими нагрузками, общий вид;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1, показан кольцевой ложемент, установленный на испытуемом изделии, с закрепленными на нем взаимно перпендикулярными радиальными силовыми плечами, вид с торца;
на фиг. 3 показана схема нагружения испытуемого изделия крутящим моментом с одновременным нагружением осевым усилием, действующим на концах силовых плеч, закрепленных на кольцевых ложементах.
В состав устройства для испытаний входит:
1 - кольцевой ложемент;
2 - патрубки;
3 - испытуемое изделие (трубопроводная арматура);
4 - консоли (силовые плечи);
5 - гидроцилиндры;
6 - шаровые опорные узлы;
7 - заглушки.
1
2
Установка для испытаний содержит два одинаковых кольцевых ложемента 1, диаметр которых соответствует диаметру патрубка 2 испытуемого изделия. В качестве испытуемого изделия 3 используют трубопроводную арматуру, например, шиберную задвижку. Кольцевые ложементы 1 установлены на патрубках 2 испытуемого изделия 3 (фиг. 1). На каждом кольцевом ложементе 1 закреплено по четыре взаимно перпендикулярных радиальных консоли в виде силовых плеч 4 (фиг. 2). Силовые плечи 4 каждого кольцевого ложемента 1 расположены попарно напротив друг друга. Каждая пара силовых плеч 4 соединена между собой нагрузочным гидроцилиндром 5 двухстороннего действия посредством шаровых опорных узлов 6, закрепленных на концах каждого силового плеча 4. Патрубки 2 испытуемого изделия 3 укупорены заглушками 7. Нагружение испытуемого изделия 3, находящегося под давлением, чистым изгибом «М» с одновременным нагружением осевым усилием «F» и «F» представлено на схеме (фиг. 3).
Установка для испытаний работает следующим образом.
Испытуемое изделие 3, например, трубопроводную арматуру, устанавливают вертикально приводом вверх на собственную опору (фиг. 1). На испытуемое изделие 3 устанавливают кольцевые ложементы 1, расположив их на необходимом для установки гидроцилиндров расстоянии друг от друга. На каждом кольцевом ложементе 1 закрепляют по четыре взаимно перпендикулярных силовых плеча 4. На краю каждого силового плеча 4 устанавливают опорный шаровой узел 6. При этом силовые плечи 4 с шаровыми узлами 6 попарно ориентируют напротив друг друга. Патрубки 2 укупоривают заглушками 7. Каждый гидроцилиндр 5 двухстороннего действия располагают вдоль оси патрубков испытуемого изделия 3 между двумя парными силовыми плечами 4, попарно соединяют их между собой шаровыми узлами 6. Подсоединяют от гидросистемы трубопроводы подачи воды. Установку подключают к стенду, обеспечивающему подачу и измерение параметров рабочей среды в полости испытуемого изделия 3 (не показано). К каждому гидроцилиндру подсоединена самостоятельная гидравлическая система, т.е. для управления нагрузочными гидроцилиндрами 5 устройство имеет восьмилинейную гидравлическую систему (по две линии на каждый гидроцилиндр) с возможностью измерения давления в каждой линии.
Изделие заполняют рабочей средой. Плавно поднимают давление в изделии до требуемого. В одну из полостей гидроцилиндров 5 под давлением подают рабочую среду от гидросистемы. Гидроцилиндры 5 под действием давления рабочей среды создают механическую нагрузку вдоль своей оси между силовыми плечами 4 кольцевых ложементов 1. Направление действующей силы от гидроцилиндров 5 может быть как сжимающая, так и отталкивающая в зависимости от того, в какую полость гидроцилиндра 5 подают рабочую среду, например, при подаче давления в условно первую полость двух смежных гидроцилиндров 5 и подаче такого же давления в условно вторую полость двух других гидроцилиндров 5 создается чистая изгибающая нагрузка М на изделие (фиг. 3), т.к. первые два гидроцилиндра будут притягивать друг к другу соответствующие силовые плечи 4, а вторые два гидроцилиндра буду отталкивать друг от друга соответствующие силовые плечи 4. При этом не возникает осевой нагрузки на изделие.
Для определения величины действующего крутящего момента «М» производят расчет по формуле:
1
2
1
2
1
1
2
M=(2F+2F)/2×L=(F+F)×L или M=2F×L при F=F, где
М - действующий крутящий момент,
1
2
F, F - силы, действующие на концах силовых плеч 4 со стороны гидроцилиндров 5 (фиг. 3);
1
2
L - плечо, на котором действуют силы F и F (расстояние от оси патрубка изделия до точки приложения силы) (фиг. 3).
1
2
Величина сил F и F, действующих со стороны гидроцилиндров 5 определяют по формуле:
1
2
F(F)=Р×S, где
P - давление в полости гидроцилиндра 5;
S - рабочая эффективная площадь гидроцилиндра 5.
Таким образом, создают чистый крутящий момент, воздействующий на изделие поочередно во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Существует возможность создавать крутящий момент в любой плоскости параллельной продольной оси изделия, но определение необходимых величин давлений в каждом гидроцилиндре 5 требует более сложного расчета, который рекомендуется автоматизировать с помощью ЭВМ.
1
2
Для создания крутящего момента совместно с осевой нагрузкой необходимо разбалансировать силы F и F. Чем больше разница между ними, тем больше осевая нагрузка. Для определения значений крутящего момента М и осевой нагрузки F производят расчет:
1
2
F=2F-2F;
1
2
1
1
2
М=(2F-2F+2F)/2×L=(2F-F)×L.
Установку для испытаний подключают к стенду, обеспечивающему подачу и измерения параметров рабочей среды в полости испытуемого изделия. Для управления нагрузочными гидроцилиндрами 5 установка имеет восьмилинейную гидравлическую систему с возможностью измерения давления в каждой линии. Для автоматизации вычислительного процесса рекомендуется использовать ЭВМ.
После проведения испытаний отсоединяют электропитание привода, сливают рабочую среду из полости изделия, разбирают технологические приспособления для испытания, снимают образец с испытательной площадки.
Таким образом, использование предлагаемой установки позволяет испытать на прочность изделие, преимущественно больших диаметров, при совместном нагружении внутренним давлением и внешними механическими нагрузками перед вводом в эксплуатацию при минимальных затратах материала на изготовление установки и уменьшении временных затрат на процесс испытаний.