Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия «гидравлический удар».

2. Что такое прямой и непрямой гидравлический удар?

3. Что такое фаза удара?

4. Как происходит процесс изменения давления при прямом гидравлическом ударе в трубопроводе, питаемом из резервуара?

5. Напишите и поясните формулу Н.Е. Жуковского для определения повышения давления при гидравлическом ударе.

6. Напишите и поясните формулу для определения скорости распростране­ния ударной волны.

Практическое занятие 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ТРУБОПРОВОДА

Теоретические сведения

Гидравлические трубопроводы – линии, объединяющие сосуды с жидкостью в единую гидросистему.

В гидравлике различают следующие типы трубопроводов:

‑ всасывающий – трубопровод, по которому жидкость движется к насосу от исходного бака;

‑ напорный – трубопровод, по которому рабочая жидкость движется от насоса к сосуду, в котором жидкость должна накапливаться;

‑ сливной – трубопровод, по которому рабочая жидкость сливается в гидробак;

‑ управления – трубопровод, по которому жидкость движется к устройствам регулирования;

‑ дренажный – трубопровод для отвода утечек рабочей жидкости от гидравлического агрегата в исходный или специальный бак.

Гидравлические трубопроводы представляют собой последова­тель­ности жестких стальных труб или гибких тканевых рукавов для низкого или высокого давления.

Жесткие трубопроводы на высокое давление преимущественно изго­товляют из бесшовных цельнотянутых труб, выпол­ненных из сталей марок 10 или 20.

Для трубопроводов управления или для подключения контрольно-измерительных приборов в стесненных условиях монтажа применяют медные трубки; для гидросистем с давлением до 2 МПа – трубы из полимерных материалов.

Гибкими трубопроводами подводят рабочую жидкость к подвиж­ным гидроэлементам. Их также используют как промежуточные гибкие звенья для присоединения жестких трубопроводов к гидроаппаратам. Это позволяет компенсировать неточность сборки и уменьшить изгибающие нагрузки на элементы соединений.

Рассмотрим поперечное сечение трубопровода (рис. 1.1) с внутренним диа­метром d и длиной L, который находится под действием внутреннего гид­ростатического давления.

Задача определения толщины стенок трубы сводится к нахождению силы Р, стремящейся оторвать одну половину трубы от другой по линии АВ, чему противодействует сила Т – сопротивление материала стенок трубы. Сила Р – это равнодействующая сил, действующих нормально к внутренней поверхности трубы. Найти эту равнодействующую можно, если заменить давление на криволинейную поверхность его проекцией на секущую плоскость (в данном случае – на диаметральную плоскость АВ).

Рис. 1.1. Схема к определению толщи­ны стенки трубопровода

Если давление жидкости в трубопроводе равно р, то усилие на всю пло­щадь S составит

P = p·S =  p·d·L.

Сила Т, выражающая сопротивление материала стенки трубы, опреде­ляется размерами поперечного сечения стенки трубы и допускаемым на­пряжением ее разрыва [σ_р]:

T = δ [σ_p] L,

где δ – толщина стенки трубы.

Так как

Р = 2Т,

то

Р = р d L = 2[σ_р] δ L.

Отсюда

.

Расчетную толщину стенки трубы следует увеличить, вследствие возможных неточностей изготовления отливок, коррозии и т.п., на а = 0,5…3 мм, тогда

.

При уточненных расчетах толщины стенки трубопровода ис­пользуют методы расчета по предельному состоянию. Наиболее широко применяют расчеты по стандартам SAE и DIN. В стандарте SAE используется уравнение Барлова [3]:

, (1.1)

где δ_р – расчетная толщина стенки, мм; d₁ – уточненный внутренний диаметр трубы или гильзы гид­роцилиндра, мм; р_р – расчетное давление (максимально возможное, внутреннее, избыточное) с уче­том всех предполагаемых рабочих состояний, включая гидравлический удар (по формуле Н.Е. Жуковского [4]), Па; R_m – показатель прочности, Н/мм². По стандартам SAE в дан­ном случае в качестве показателя прочностных свойств используется минимальное сопротивление разрыву материала трубы или гильзы цилинд­ра R_m (для сталей минимальный предел прочности при растяжении R_m = 300 500 Н/мм²); n – коэффициент запаса прочности, который принимает значения: п = 4 – для нормальных условий работы; п = 6 – для значительных гидравлических или механических пиковых нагрузок; п = 8 – для экстремальных рабочих условий, связанных с опасными ситуациями.

При окончательном определении толщины стенки трубы δ_ок необ­ходимо учитывать и два других фактора, а именно:

– занижение толщины стенки (минусовый допуск) c₁;

– износ за счет коррозии с₂.

Тогда .

Если занижение толщины стенки указывается в %, то δ может быть рассчитано по уравнению

. (1.2)

Для бесшовных стальных труб диаметром менее 130 мм значение с₁ принимают равным 9 %. Для сварных стальных труб диаметром более 10 мм – равным с₁ = 0,5 мм.

Толщину стенки гильзы гидроцилиндра или плунжера определяют аналогичным образом, только ее, как правило, рассчитывают для более прочных сталей, стойких к износу, и на более высокое давление. Кроме того, внутренняя поверхность гильзы должна иметь цилиндрическую форму высокой точности и минимальную шероховатость.

Исходные данные:

‑ уточненный внутренний диаметр трубы d₁ = 70 мм;

‑ давление (максимальное, избыточное) для всех предполагаемых рабочих состояний, включая гидравлический удар, р_р = 46 МПа;

‑ занижение толщины стенки (минусовый допуск) – нормативный.

Предел прочности стали при растяжении и коэффициент запаса прочности выбирают согласно варианту:

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Rm, МПа	300	325	350	375	400	430	450	470	490	500
Запас, п	4	5	6	7	8	4	5	6	7	8