Глава 3. Трубопроводы. Типы. Расчёт

Типы трубопроводов

Гидравлическими линиями называют устройства, предназначенные для объединения элементов гидропривода в единую систему.

В гидроприводе различают следующие типы линий:

• Всасывающая – линия, по которой жидкость движется к насосу от бака.

• Напорная – линия, по которой рабочая жидкость движется от насоса или гидроаккумулятора к гидродвигателю.

• Сливная – линия, по которой рабочая жидкость сливается в гидробак.

• Управления – это линия, по которой жидкость движется к устройствам управления или регулирования.

• Дренажная – линия, предназначенная для отвода утечек от гидромашин и гидравлических агрегатов в бак.

Гидравлические линии представляют собой жёсткие стальные тру­бопроводы или гибкие рукава низкого и высокого давлений.

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

Для трубопроводов управления или подключения контрольных приборов в стеснённых условиях монтажа применяют медные трубы, 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 к гидроаппаратам жёстких трубопроводов. Это позволяет компенсировать неточность сборки и уменьшать изгибающие нагрузки на элементы соединений.

В качестве гибких соединений применяют рукава высокого давле­ния (РВД). Рукав имеет внутренний резиновый слой, затем хлопчатобумажный, металлическую оплётку и внешний резиновый слой. Их основные размеры определяет ГОСТ 6286-73. В зависимости от количества металлических оплёток РВД делятся на три типа:

• I тип – с одной оплёткой, рассчитанной на давление до 20 МПа.

• II тип      – с двойной оплёткой (на давление до 30 МПа).

• III тип     – с тройной оплёткой, применяется для высоких давлений при внутреннем диаметре до 40 мм.

Трубопроводы соединяют с гидроэлементами и между собой с по­мощью арматуры, которая должна обеспечивать надёжное уплотнение соединений, легкость монтажа и демонтажа. Выбор арматуры определя­ется давлением в гидросистеме, параметрами трубопровода, условиями эксплуатации. Соединения трубопроводов могут быть неподвижными и подвижными.

Для соединений гидролиний мобильных машин и навесного обо­рудования применяют запорные устройства, которые позволяют отсоеди­нять рабочее оборудование без слива рабочей жидкости из гидросистемы.

Различные варианты установки гибких трубопроводов представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Соединения гибких трубопроводов

В собранном запорном устройстве (рис. 3.2) упирающиеся один в другой шарики 8 отведены от сёдел в корпусах 9 и 10 и открывают путь потоку жидкости (показано стрелками) из правой полости в левую.

Рис. 3.2. Соединения трубопроводов:

а - жестких; б - эластичных; в - запорное устройство; г - разрывная муфта.

1- штуцер; 2 - гайка; 3 - втулка; 4 — труба; 5 - ниппель; 6 - рукав высокого давления; 7, 14 - пружины; 8 - шарик; 9, 10, 12. 16 - корпуса; 11 -крестовина; 13 - фиксатор; 15 – втулка.

Для отсоединения трубопровода отвёртывают накидную гайку 2 и разводят корпуса 9 и 10. Шарики 8 под действием пружин 7 прижимают­ся к сёдлам и запирают внешние полости корпусов 9, 10 от вытекания жидкости и проникновения воздуха и грязи в систему.

Для соединения гидросистемы с прицепными машинами применя­ют разрывные муфты. Корпуса 12 и 16 разрывной муфты в отличие от запорного устройства соединены запорной втулкой 15 с шариковым фик­сатором 13. Шарики фиксатора, расположенные в гнездах корпуса 16, выступают и заходят в кольцевую лунку корпуса 12, удерживая их от разъединения.

При случайном отрыве прицепной машины от базовой, рукава вы­сокого давления натягиваются и перемещают оба корпуса относительно втулки 15 до выхода шариков фиксатора 13 из её расточки. В результате муфта разъединяется. Шарики 8 запирают полости корпусов 12 и 16, а втулка 15 под действием пружины 14 возвращается на место.

Неподвижные соединения трубопроводов в гидросистемах наиболее распростране­ны.

Коническое соединение с резиновым кольцом применяют для тру­бопроводов высокого давления, шароконусное соединение – для подклю­чения рукавов высокого давления.

Развальцовку трубы применяют преимущественно в системах управления. В трубопроводах низкого давления, например, дренажных и сливных, гибкий шланг крепят к ниппелю хомутом.

Арматурой с медными и резиновыми уплотнениями соединяют трубопроводы с гидроэлементами. Штуцер и корпус гидроаппарата уп­лотняют медным кольцом, а также с помощью конической резьбы или резинового кольца.

Вращающееся соединение предназначено для передачи рабочей жидкости от насосов, расположенных на неподвижном основании (плат­форма металлургического манипулятора, шасси кранов), гидроаппаратам и гидродвигателям, находящимся на поворотной платформе, и в обрат­ном направлении – от гидроаппаратов и гидродвигателей в бак.

Расчёт трубопроводов

Рассмотрим поперечное сечение трубы (рис. 3.3) с внутренним диа­метром d и длиной L, которая находится под действием внутреннего гид­ростатического давления.

Рис. 3.3. Схема к определению толщи­ ны стенки трубопровода

Задача определения толщины стенок трубы сводится к нахождению силы Р, стремящейся оторвать одну половину трубы от другой по линии АВ, чему противодействует сила Г – 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 давлением на плоскость (в данном случае на диаметральную плоскость АВ).

Если давление жидкости на единицу площади равно р, то на всю пло­щадь S оно будет составлять:

P = p · S = p · d · L.

Сила Т, выражающая сопротивление материала стенки трубы, опреде­ляется размерами поперечного сечения стенки трубы и допускаемым на­пряжением разрыву её материала, т.е.

T = δ ·[σ_p]· L,

где δ    – толщина стенки трубы.

Так как             Р = 2 Т (два сечения), то   Р = р · d · L = 2[σ_р] · δ · L.     Тогда

.

Расчётную толщину стенок следует увеличить с учётом неточности отливки, прокатки, коррозии и т.п., на величину а:           а = 0,5…3 мм,        тогда

.

При уточнённых расчётах толщины стенки трубопроводов ис­пользуют методы расчёта по предельному состоянию. Наиболее широко в данном случае применяются расчёты по стандартам SAE и DIN. В стандарте SAE используется уравнение Барлова:

,

где δ _V     – расчетная толщина стенки, мм;

d ₁     – уточнённый внутренний диаметр трубы или гильзы гид­роцилиндра, мм;

р_р – расчётное давление, максимально возможное внутреннее избыточное давление с учётом всех предполагаемых рабочих состояний, включая гидравлический удар (по формуле Н.Е.Жуковского), бар;

R_m – показатель прочности, Н/мм ². 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/мм ²;

n – коэффициент запаса прочности:

п = 4      – для нормальных условий работы,

п = 6 – для значительных пиков по гидравлической и механической нагрузке;

п = 8 – для экстремальных рабочих условий, связанных с опасно­стью применения.

При окончательном определении толщины стенки гильзы δ _0К необ­ходимо учитывать два других фактора, а именно:

• занижение толщины стенки (минусовый допуск) —    c₁;

• износ за счёт коррозии — с₂.

.

Если занижение толщины стенки указывается в %, то 8 может быть рассчитано по уравнению:

.

Для бесшовных стальных труб диаметром менее 130 мм значение C₁ принимается равным 9%. Для сварных стальных труб диаметром более 10 мм – C₁ = 0,5 мм.