|
|
ОглавлениеГлава 2. Методы и приборы для измерения давления Глава 3. Методы и приборы для измерения температуры Глава 4. Методы и приборы для измерения расхода Глава 5. Методы и приборы для измерения уровня Глава 6. Методы и приборы измерения геометрических размеров Глава 7. Методы и приборы для измерения вибрации Глава 8. Измерение параметров электромагнитной совместимости Глава 9. Методы и приборы измерения свойств вещества Глава 10. Методы и приборы измерения состава вещества Глава 11. Сопряжение датчиков с системами управления Часть 2. Технологические основы испытаний. Глава 12. Организация испытаний Глава 13. Испытания на воздействия факторов внешней среды Глава 14. Испытания изделий на воздействие внешних механических и гидрогазовых факторов Глава 16. Испытания трубопроводной арматуры Глава 18. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГлава 14. Испытания изделий на воздействие внешних механических и гидрогазовых факторов14.1. Классификация механических нагрузок и основные требования к соответствующему испытательному оборудованиюВ процессе испытаний приходится имитировать различные виды механических нагружений, действующих на ОИ и их элементы в процессе эксплуатации. Эти нагружения могут быть постоянными и переменными. В соответствии с воздействующими механическими факторами (рис. 14.1) механические испытания делятся на следующие виды: испытания на воздействие статических нагрузок, испытания на воздействие динамических нагрузок, испытания на последовательное или одновременное воздействие каких-либо комбинаций из названных нагрузок. Статические нагрузки связаны с приложением к ОИ системы уравновешенных сил. Динамические нагрузки связаны с приложением к испытуемому объекту системы неуравновешенных сил. Решение вопроса о том, какой характер носит нагрузка, зависит также от скорости изменения воздействующей силы и от механических свойств объекта испытаний. Принято считать, что если нагрузка меняется в течение времени, не превышающего два-три периода свободных колебаний ОИ, то такая нагрузка будет динамической. Если продолжительность изменения нагрузки велика и превышает три-пять периодов свободных колебаний объекта испытаний, то такую нагрузку практически можно считать статической. Статические нагрузки могут быть постоянными либо медленно изменяющимися. Динамические нагрузки возникают в процессе движения ОИ или его элемента, а также от действия сил трения. При ударах, воздействие нагрузок носит дискретный характер, при вибрации — непрерывный (последующий физический процесс начинается, когда еще не полностью закончен предыдущий). По воздействию на ОИ механические нагрузки также можно разделить на ряд групп: сжимающие, разрушающие, разрывающие, изгибающие, крутящие, срезающие и другие. Механические нагрузки, в процессе испытаний, реализуются с помощью специальных механических нагружателей (имитаторов механических нагрузок). Нагружатели могут быть пассивного действия, не содержащими собственных источников энергии, и активного действия, имеющими собственный (внешний по отношению к ОИ) источник энергии. Имитаторы механических нагрузок могут основываться на применении различных физических принципов и технических устройств. В связи с большим разнообразием механических нагрузок, действующих на ОИ, а также разнообразием имеющихся методов и средств имитации этих нагрузок, реализация испытаний на внешние механические воздействия требует проведения ряда предварительных работ: 1)изучения характера механических нагрузок (статических и динамических), воздействующих на ОИ в процессе эксплуатации; 2)выявления нагрузок, наиболее существенно влияющих на работоспособность, надежность и механическую прочность элементов ОИ подлежащих испытаниям; 3)установления состава, величин, направлений воздействия, законов изменения во времени, схемы и последовательности приложения механических нагрузок, подлежащих имитации в процессе испытаний; 4)установления перечня имитаторов и механических контрольно-испытательных стендов с определением комбинаций имитаторов (обеспечивающих одновременное воздействие на ОИ различных механических нагрузок), компонуемых в виде отдельных испытательных стендов. 14.2. Испытания на воздействие плавно меняющихся и инерциальных нагрузок [35]Проведение испытаний на действие статических нагрузок не имеет каких-либо особенностей и не встречает затруднений. Однако испытания оболочек и пространственных стержневых конструкций при распределенных нагрузках (например, ветровых) имеет особенности. Это связано с тем, что известные способы воспроизведения поверхностных нагрузок при обычных статических испытаниях в большинстве случаев основаны на замене распределенных сил (натурные условия работы) системой элементарных сосредоточенных сил (стендовые условия испытаний). Такие силы передаются на ОИ обычно при помощи парусиновых или металлических лямок с использованием рычагов, которые подвергаются воздействию механических нагрузок (сил, моментов), создаваемые грузовыми, винтовыми или пневмогидроцилиндрами (рис. 14.2). В случаях, когда ОИ подвергается одновременному воздействию статистических нагрузок и температурных факторов (испытание на теплопрочность), применение лямок нарушает эквивалентность испытании. Рис. 14.2. Система воспроизведения статических нагрузок: а) грузовые нагружатели (1 — ОИ; 2 — крепление рычажной системы к объекту; 3 — система блоков; 4 — грузы); б) винтовые нагружатели (1 — испытуемый объект; 2 — винтовая пара); в) нагружатели на пневмо- или гидроцилиндрах (1 — гидроцилиндры; 2 — редуктор; 3 — маслонасосная станция; 4 — испытуемый объект; 5 — рычажная система) В общем случае постоянный закон нагружения описывается уравнением p = const, где р — нагрузка, а const определяет заданный уровень нагружения. Для создания постоянных статических нагрузок обычно используют гидроцилиндры и грузовые платформы (весовые нагружатели). Принцип действия грузовых платформ (рис. 14.3) основан на приложении веса груза на платформе к элементу испытываемого агрегата. При использовании в качестве нагружателей гидроцилиндров, в гидроцилиндр подается жидкость под давлением, что обеспечивает на штоке постоянную силу. Рис. 14.3. Простейшая схема применения грузовой платформы: 1 — трос; 2 — груз; 3 — платформа; 4 — объект нагружения Расчет гидроцилиндра производится по формуле: p = P / S, где р — давление жидкости; Р — заданное усилие; S — рабочая площадь поршня: , где D — диаметр поршня; d — диаметр штока. В качестве имитаторов постоянных нагрузок широко используются также домкраты различных конструкций. Линейные и нелинейные законы нагружения в контрольно испытательных стендах реализуются, с помощью использования пневмо- и гидроцилиндров, пневмопружин и механических пружин. Однако эти виды нагружателей позволяют воспроизводить заданные законы нагружения не точно, а лишь приближенно. В связи с этим параметры нагружателя рассчитывают так, чтобы отклонения воспроизводимого им закона не превышали заданных, допустимых при испытаниях значений. Наиболее широко для воспроизведения изменяющихся нагрузок используются гидроцилиндры. При применении в качестве силовозбудителей гидроцилиндров изменяющиеся нагрузки воспроизводят двумя способами: 1)подачей в гидроцилиндр жидкости под постоянным давлением, не меняющимся во времени, а изменяющиеся по определенному закону усилия обеспечивается применением специальных кинематических схем. Этот способ относительно прост и дешев. Однако такие стенды, как правило, имеют специальное назначение, так как изменение в них закона нагружения требует серьезных переделок и даже изготовления новых кинематических устройств; 2)подачей в гидроцилиндр жидкости под давлением, переменным во времени, когда изменяющееся по определенному закону усилие обеспечивается применением программно управляемых систем гидравлического питания. Такие стенды, за счет простоты переналаживания на новый закон нагружения достаточно универсальны. Однако они дороже, сложнее и требуют высокой квалификации обслуживающего персонала. Для физического моделирования постоянных и медленно изменяющихся динамических нагрузок и сопрягаемых с ОИ эквивалентов (тормозные устройства, двигатели, управляемые органы и т. п.) необходимы имитаторы инерционных нагрузок и имитаторы масс. Пассивные имитаторы массы выполняются в виде маховиков с набором дисков, маятников и т. п. Из принципиальной схемы таких имитаторов, которая показана на рис. 14.4, следует, что: , где: J — момент инерции имитатора; r — плечо рычага, на котором действует J. Конкретные значения J и r определяются параметрами имитатора. Например, для имитатора, показанного на рис. 14.4, момент инерции J = 2mr2. Рис. 14.4. Имитатор масс: а — схема имитатора; б — характеристика имитатора масс M = f(r); 1 — контровочная гайка; 2 — вал; 3 — рычаг; 4 — двусторонний винт; 5 — груз, выполненный в виде гайки В случае необходимости воспроизведения при испытаниях инерционных нагрузок для определения мгновенного импульса сил, при срабатывании тормозных устройств, средств обеспечения безопасности, ударных воздействиях и т. п. также используют имитаторы масс. В этом случае для косвенного определения значения мгновенного импульса сил замеряют перемещение имитатора масс под действием этого импульса. В стендах для определения мгновенного импульса сил реализуется вертикальное, траекторное и маятниковое перемещение имитатора. Наиболее удобны в эксплуатации маятниковые стенды (рис. 14.5), которые позволяют, кроме того, обеспечить наибольшую точность в определении параметров импульса. Рис. 14.5. Схема маятникового стенда: 1 — испытываемое пиротехническое устройство; 2 — каркас стенда; 3 — имитатор массы Мгновенный импульс силы определяют, измеряя угол отклонения маятника, представляющего собой имитатор масс, вращающийся вокруг неподвижной оси. Момент инерции имитатора равен: где: L — радиус вращения центра масс имитатора, м; M — момент силы F, Н∙м; m = G/g — масса имитатора с рычагом, кг; G — вес имитатора (с рычагом); K — импульс момента силы, Н∙м∙с; J — момент инерции, кг∙м; w — угловая скорость, °С/с. Сила F прикладывается на постоянном плече L, поэтому M = FL. Учитывая, что получаем, что мгновенный импульс силы S равен: . Используя закон сохранения энергии для вращательного движения: , или где: h — высота подъема центра масс маятника, м. Тогда после некоторых преобразований выражение для S можно представить в виде: , или Маятниковый стенд сложнее других по конструкции, зато относительно мал по габаритам, удобен в эксплуатации и позволяет достичь наибольшей точности в определении мгновенного импульса сил. При проведении спуско-подъемных, транспортных и других операций нефтегазовое оборудование и (или) его отдельные элементы могут испытывать значительные линейные ускорения. Поэтому иногда возникает необходимость испытаний указанного оборудования на воздействие нагрузок, вызванных линейными ускорениями. Такие испытания, как правило, проводятся с помощью центрифуг (рис. 14.6).Центрифуги, кроме создания линейных ускорений, должны в общем случае обеспечивать подачу на ОИ электрической, гидравлической, пневматической энергии, управляющих команд и съем информации с объектов, установленных на вращающейся платформе. Рис. 14.6. Схема центрифуги: 1 — противовес; 2 — объект испытаний; 3 — стол; 4 — платформа центрифуги; 5 — редуктор; 6 — электродвигатель; 7 — электроколлектор; 8 — вал; 9 — гидроколлектор; 10 — торцевой гидроколлектор Основными эксплуатационными параметрами центрифуги являются максимальная величина линейного ускорения (перегрузки) и максимальная грузоподъемность. Учитывая, что значение центробежной силы определяется по формуле: где w = 2pn — угловая скорость; R — радиус установки ОИ; n — частота вращения платформы. Создаваемая перегрузка будет равна: где G — вес ОИ. Для уравновешивания центробежной силы от ОИ на противоположенном конце платформы устанавливается противовес, расстояние которого от центра центрифуги определяется по формуле: r = RG / Q, где Q — вес противовеса. В системе управления центрифуги для получения необходимого закона разгона и торможения рабочей платформы, применяют специальные устройства, обеспечивающие соответствующее увеличение или уменьшение ее частоты вращения. При этом скорость разгона рабочей платформы в зависимости от грузоподъемности и конфигурации ОИ для различных категорий центрифуг может меняться в широких пределах, что обусловлено расходом мощности привода центрифуги не только на преодоление инерционных нагрузок, но и на преодоление аэродинамического сопротивления и сил трения в электрическом и гидравлическом коллекторах. 14.3. Проведение испытаний на воздействие вибрационных и ударных нагрузок14.3.1. Вибрационное и ударное нагружение объектов измерения При эксплуатации и транспортировании, а также при работе различных механизмов изделия подвергаются воздействию вибраций и ударов. Вибрацией принято называть движение механической системы, при котором происходят колебания характеризующих его скалярных величин, основными из которых являются виброперемещение, виброскорость, виброускорение и частота. Виброперемещением называют составляющую перемещения твердого тела, описывающую вибрацию. Первая производная виброперемещения по времени является виброскоростью, а вторая производная — виброускорением a(t). В зависимости от траектории перемещения рассматриваемой точки тела вибрация может быть линейной, плоскостной и пространственной. В зависимости от характера движения твердого тела вибрация бывает поступательной (линейной) или угловой. Ударом принято называть такое движение, при котором имеет место взаимодействие движущихся тел, сопровождающееся частичным или полным переходом кинетической энергии соударяющихся тел в потенциальную энергию упругой деформации и во внутреннюю энергию тел, приводящее к их нагреву. Этот процесс происходит в ограниченном пространстве за время, значительно меньшее периода собственных колебаний соударяющихся тел. Удары могут быть одиночными, периодически повторяющимися и многократными. Удары вызывают разрушения вследствие возникновения больших, хотя и кратковременных, перенапряжений в материале изделия, а также за счет циклических или знакопеременных перенапряжений относительно небольшой величины, приводящих к накоплению микродеформаций усталостного характера. Установлены следующие основные параметры физических величин, характеризующих ударное нагружение: –пиковые ударные ускорения, скорость, перемещение (или деформация), оценивающие наибольшие абсолютные значения указанных параметров; –длительность действия ударного ускорения, скорости деформации, оценивающие интервал времени, в течение которого действуют мгновенные значения этих параметров; –длительность фронтов ударного ускорения, скорости, перемещения и деформации, определяющие интервал времени от момента появления до момента достижения пикового значения соответствующего процесса ударного движения; –импульс ударного ускорения — интеграл ударного ускорения за время, равное длительности его действия («площадь» ударного импульса). На характер ударного взаимодействия оказывает влияние форма импульсов, определяющая характеристики амплитудно-частотных спектров, различие которых в реальных условиях может приводить к существенному изменению количественных значений силовых нагрузок на ОИ. Колебания конструктивных элементов ОИ, вызванные воздействием удара, могут привести к повреждению других элементов за счет возникновения резонансных явлений. При этом, когда во время воздействия ударного импульса возбуждаются резонансные колебания, накладывающиеся на этот импульс, ускорения резонирующих элементов достигают максимально возможных значений. Испытания на воздействие вибраций и ударов проводят с целью проверки ОИ на вибропрочность (ударопрочность), виброустойчивость (удароустойчивость) и усталостную прочность. Виброустойчивостью (удароустойчивостью) называется способность ОИ, его систем и элементов сохранять работоспособность в условиях воздействия вибраций (ударов). Виброустойчивость (удароустойчивость) определяет степень чувствительности ОИ к динамическим нагрузкам. Вибропрочность (ударопрочность) — это свойство ОИ и его элементов противостоять разрушающему действию вибрации (ударам) в заданном диапазоне частот (в заданных спектрах) и оставаться работоспособными после воздействия этих нагрузок. Усталостное разрушение элемента ОИ происходит вследствие появления в нем локальных зон текучести, или, другими словами, скольжения атомарных слоев, которое, в свою очередь, вызывается развитием, так называемых дислокаций (дефектов кристаллической решетки материала) и местных концентраций напряжений. Вибрационное нагружение материала, в котором образовались локальные зоны текучести, способствует появлению микротрещин, которые, соединяясь случайным образом, образуют основную трещину. Когда трещина достигает такой величины, что напряжение в оставшемся материале превышает его прочностные возможности, ее распространение становится лавинообразным и происходит усталостное разрушение. При вибро- и ударных испытаниях количественное описание всего многообразия имеющихся ОИ механических элементов дать почти невозможно. Однако установлено, что многие из них в первом приближении можно рассматривать как массы, соединенные с основанием при помощи пружин (рис. 14.7), т. е. в виде элементарного вибратора (резонатора), описываемого как линейная колебательная система с одной степенью свободы. а) б) Рис. 14.7. Простейшая модель ОИ при виброиспытаниях: а) структурная схема резонатора, где m — масса вибратора; n — податливость, Wa = 2πf0 — собственная частота вибратора; Q — добротность; Fm — действующая сила; ε0, a0 — действующие на вибратор виброперемещение и виброускорение; εm, am — виброперемещение и виброускорение массы вибратора; r — сопротивление перемещению; б) передаточные коэффициенты резонатора в зависимости от частоты воздействия Эквивалентная механическая модель резонатора представляет собой демпфированную линейную упруго-массовую систему с определенной, механической добротностью Q и резонансной частотой f0. Идеализированная модель ОИ состоящего из нескольких резонаторов может быть получена путем объединения не зависящих друг от друга элементарных упруго-массовых моделей с различными резонансными частотами f0, но с одинаковой добротностью Q. Представление такими моделями целесообразно при отсутствии взаимного влияния отдельных конструктивных элементов или их групп друг на друга, что с определенными допущениями используется на практике для ориентировочных оценок. Внимание! Авторские права на книгу "Испытания нефтегазового оборудования и их метрологическое обеспечение. Учебное пособие" (Под ред. Владимирова А.И., Кершенбаума В.Я.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||
