Разработка метода комплексного анализа динамики и прочности трубопроводных систем с гасителями колебаний рабочей жидкости

• Автор: Прокофьев, Андрей Брониславович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 341 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Виброакустическая нагруженность гидромеханических систем и методы ее снижения
1.1. Источники виброакустической нагруженности гидромеханических систем
1.2. Анализ методов снижения виброакустических нагрузок в гидромеханических системах
1.3. Анализ методов математического моделирования виброакустических характеристик элементов пневмогидромеханических систем
1.3.1. Аналитические модели динамических характеристик элементов пневмогидромеханических систем
1.3.2. Анализ методов численного моделирования виброакустаческих характеристик элементов пневмогидромеханических систем
2. Математическое моделирование гасителей колебаний рабочей жидкости
2.1. Динамические характеристаки гасителей колебаний давления
2.2. Аналитаческие методы Моделирования динамических характеристик гасителей колебаний
2.3. Численные методы моделирования динамических характеристак гасителей колебаний
2.4. Прочность гасителей колебаний рабочей жидкости Результаты и выводы
3. Разработка математических моделей виброакустических процессов в разветвленных трубопроводных цепях
3.1. Методика проектирования трубопроводной системы с учетом комплексной взаимосвязи статических, динамических процессов и прочностных характеристик
3.2. Математическое описание виброакустических и прочностных характеристик пространственно сложных разветвленных трубопроводных систем
Результаты и выводы
4. Моделирование динамических характеристик элементов гидромеханических систем
4.1. Конечно-элементное моделирование динамических характеристик гасителей колебаний давления рабочей жидкости
4.2. Моделирование динамических характеристак емкостей с податливыми стенками
4.3. Численно-аналитическое моделирование процессов виброакустического взаимодействия в случае плоских поверхностей раздела подсистем
4.3.1. Численно-аналитическое моделирование процессов виброакустического взаимодействия в случае плоских поверхностей раздела подсистем в
двумерной постановке
4.3.2. Численно-аналитическое моделирование процессов виброакустического взаимодействия в случае плоских поверхностей раздела подсистем в
трехмерной постановке

Результаты и выводы
5. Динамические характеристики трубопроводных систем с гасителями колебаний
5.1. Математическая модель динамики трубопроводной системы с гасителем 198 колебаний рабочей жидкости
5.2. Критерии оценки изменения динамических характеристик трубопроводной 207 системы при введении гасителя колебаний давления
5.3. Разработка методики выбора схемы, конструктивных параметров и места 211 установки гасителя для решения задачи заданного снижения виброакустического нагруженности трубопроводной системы
Результаты и выводы
6. Экспериментальные исследования виброакустических характеристик элементов 219 пневмогидромеханических систем
6.1. Испытательный комплекс
6.1.1. Стенд пульсирующих давлений
6.1.2. Стенд для исследования динамических характеристик насосных 224 агрегатов
6.1.3. Лазерный цифровой сиекя-интерферометрический стенд
6.1.4 Регистрирующе-анализирующая аппаратура
6.2. Методика экспериментального определения демпфирующих характеристик 235 элементов механических систем на базе вейвлет-анализа функции импульсного отклика
6.3. Экспериментальная методика определения собственных частот системы на 251 базе вейвлет-анализа данных теста с вариацией скорости
6.4. Экспериментальные исследования динамических характеристик 264 металлических рукавов
6.5. Расчетно-экспериментальный метод исследования динамических 272 характеристик присоединенной гидравлической цепи
6.6. Экспериментальные исследования комплекса собственных характеристик 275 гасителей колебаний давления рабочей жидкоста
6.7. Экспериментальные исследования виброакустических характеристик 291 трубопровода с пульсирующим потоком рабочей жидкости
6.8. Исследование влияния установки гасителя колебаний на виброакустические 296 характеристики системы
6.9. Экспериментальные исследования динамических процессов в гидросистеме 307 пресса Erfurt РТг 2000+1200
6.10. Снижение виброакустической нагруженное™ трубопроводной системы 321 АПРМ
Результаты и выводы
Основные результаты и выводы
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Современный гидропривод различных технических объектов характеризуется высокой энергонасыщенностью его узлов и элементов. Трубопроводы, являющиеся важным элементом гидропривода, работают в условиях воздействия на них широкого спектра возмущений как статического, так и динамического характера. При этом требования к надежности и работоспособности трубопроводов непрерывно растут. Одним из основных факторов, снижающих работоспособность трубопроводных систем, являются виброакустические нагрузки. Виброакустические процессы в трубопроводных системах характеризуются широким спектром частот (20 Гц - 5 кГц) и амплитуд колебаний (размах колебаний давления рабочей жидкости - до 20 МПа, виброускорение - до 1000 м/с2). Причем именно колебания давления, амплитуда которых может достигать 50% от среднего значения, являются одной из причин, приводящих к вибрации, усталостным поломкам трубопроводов.
В качестве примеров разрушительного воздействия виброакустических нагрузок на трубопроводные системы можно привести следующее. В работе [98] описан случай, когда при проведении стендового испытания двухконтурного турбореактивного двигателя была обнаружена продольная сквозная трещина длиной 17 мм на криволинейном участке с радиусом 40 мм трубопровода диаметром 22x1 с овальностью а/Ь= 1.14. Рабочее давление в этом трубопроводе 5.5 МПа с амплитудой пульсаций 0.74 МПа с частотой около 700 Гц. Время работы до разрушения - 97 ч. (2.4-108 циклов). Оказалось, что среднее напряжение цикла было близко к пределу текучести материала трубы (Х18Н10Т) и, хотя переменные напряжения A При доводке гидравлического комплекса самолета АН-124, предназначенного для питания рабочей жидкостью (маслом AMT-10) приводов систем управления уборкой и выпуском шасси, торможения колес, передним и задним гидрозамками и т.д., проявились дефекты, ставящие под сомнение его надежность [25]. Во-первых, это уровни виброперегрузок некоторых элементов напорных участков до 30g. Во-вторых, часто случающиеся поломки усталостного характера различных элементов и агрегатов системы, в т.ч. трубопроводов, после непродолжительного времени их работы. Измерения пульсаций давления в напорных магистралях, как оказалось впоследствии, являющиеся основной причиной перечисленных выше явлений, показали, что их уровень превосходил допустимые нормы »3.5 МПа, оговоренные в ТЗ и достигал 8 МПа, что составляло 40% от номинального уровня статического давления. Спектр колебаний содержал частоты до 1.5...2.5 кГц.
Причиной катастрофы самолета ТУ-144Д послужило усталостное разрушение, топливного трубопровода в крыле вследствие его силового нагружения пульсирующим потоком рабочей жидкости.
Разрушение трубопроводов под воздействием виброакустических нагрузок характерно не только для авиационных систем топливошпания и управления. В работе [100] описывается случай разрушения напорного трубопровода ГЭС в результате колебаний давления

д!дх
яе М = рм (х) (л:) + рж (л:)5ж (*) - погонная масса трубопровода с жидкостью;
;(лг) - коэффициент внутреннего демпфирования материала трубопровода;
?(.*)= рж(л;)/(х) - коэффициент, учитывающий инерцию вращения сечений.
Разработанный метод [1] основан на построении функционала типа Ляпунова для редставленного выше интегро-дифференциального уравнения с частными производными. 1а основе исследования этого функционала получены достаточные условия устойчивости олебаний трубопровода по Ляпунову. Однако полученное аналитическое условие праведливо только для прямолинейных участков трубопроводных систем, что существенно граничивает его значимость. Кроме того, оно чрезвычайно громоздко и отвечает только на опрос об устойчивости системы, оставляя открытыми вопросы о величинах иброиараметров в системе. Автор [1] подчеркивает целесообразность использования деленных методов при решении подобных задач, чему и посвящена вторая часть его аботы.
В работах [79, 80] разработаны аналитические модели для расчета параметров вибрации рямолинейных участков неоднородных трубопроводов под действием силового озбуждения со стороны пульсирующего потока рабочей жидкости. Кроме того, имеется озможность включения в математическую модель дополнительных гидромеханических грегатов, однако они рассматриваются в сосредоточенных параметрах. Решение полученной истемы дифференциальных уравнений в частных производных осуществляется методом Бубнова — Галеркина. Модельным объектом и в этом случае является прямолинейный часток трубопровода, в то время как трубопроводные системы реальных технических бъехтов имеют сложную пространственную конфигурацию.
Таким образом, проделанный анализ позволяет установить, что аналитических методов юделирования виброакустических характеристик трубопроводных систем сложной ространственной конфигурации с пульсирующим потоком рабочей жидкости на егодняшний день не существует. Кроме того, большинство исследователей в данной бласти говорят о целесообразности использования численных методов моделирования иброакустических характеристик трубопроводов.
В пневмогидромеханических системах существует множество других элементов, оздействующих на виброакустические характеристики: клапаны, золотниковые
аспределители, емкости, жиклеры и т.п. Для управления потоками рабочих сред, расходами давлениями в машинах и аппаратах применяют различные по принципу действия и онструктивному исполнению распределительные устройства, примерами которых могут лужить золотниковые распределители и клапаны. Проточные элементы таких устройств :редставляют собой короткие каналы и отверстия с постоянными или изменяющимися во ремени проходными сечениями. Динамические характеристики таких устройств мало