Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса по очистке полимерных изоляционных покрытий 14
1.1. Магистральные трубопроводы, их защита от коррозии и очистка 14
1.1.1. Краткие сведения о трубопроводах 14
1.1.2. Изоляционные полимерные покрытия и их характеристики 19
1.1.3. Способы наружной очистки трубопроводов 22
1.1.4. Устройства, машины для очистки изоляционных покрытий трубопроводов 26
1.2. Динамические вопросы механических систем очистных
машин 29
1.2.1. Динамические особенности очистных машин 29
1.2.2. Колебания систем с сосредоточенными и распределенными параметрами 30
1.2.3. Обзор по расчету и исследованиям динамики шарнирных систем 33
1.3 Методы, используемые при решении задач исследования... 38
1.3.1. Методы испытания материалов при температурных воздействиях 38
1.3.2. Численные методы 42
1.4. Выводы и задачи исследования 46
2. Исследование влияния температурного воздействия на трубопровод 48
2.1. Постановка задач исследований 48
2.2. Свойства полимерных изоляционных материалов при положительном воздействии 49
2.2.1. Методика, оснастка экспериментальных исследований при положительных температурах 50
2.2.2. Результаты влияния температуры нагрева и распределение температурного поля 57
2.2.3. Скорость нагрева и остывания нагревателей и распределение температурных полей 61
2.2.4. Определение усилия и скорости снятия полимерной пленки 66
2.3. Свойства полимерных изоляционных материалов при низких температурах 71
2.3.1. Методика и оснастка для определения адгезионных свойств полимерных покрытий 71
2.3.2. Усилие отрыва полимерной пленки 74
2.3.3. Обработка данных эксперимента на ЭВМ. Результаты испытаний 77
2.3.4. Определение температуры "охрупчивания" полимерной пленки 81
2.3.5. Удельная энергия разрушения полимерной пленки 85
2.4. Испытания материала (стали) трубы 96
2.4.1. Методика испытания при низких температурах 96
2.4.2. Влияние хладагента на свойства материала трубы 101
2.4.3. Механические испытания сталитрубы 107
2.5. Выводы ПО
3. Динамика механической системы привода рабочего органа термоочистной машины 112
3.1 Постановка задачи исследования 112
3.2. Динамическая модель привода рабочего органа 116
3.3. Уравнения движения 119
3.4. Кинематические параметры шарнирной передачи привода . 123
3.5. Численное решение задачи крутильных колебаний механической системы привода 127
3.6. Исследование динамических нагрузок в звеньях системы и
их анализ 130
3.7. Оптимизация параметров привода рабочего органа 143
3.8. Выводы 152
4. Экспериментальное исследование системы «установка-трубопровод» 153
4.1. Задачи исследования 153
4.2. Опытная моделирующая установка, оборудование и оснастка 154
4.2 Л Конструктивные особенности установки 154
4.2.2. Система подачи и регулирования хладагента 157
4.2.3. Измерительная схема, приборы и аппаратура контроля температуры и деформаций 158
4.3. Температура и напряжения в трубе. Сравнение экспериментальных и теоретических их значений 160
4.4. Исследование динамических нагрузок исполнительного очистного механизма 165
Основные выводы 171
Список литературы
- Краткие сведения о трубопроводах
- Методика, оснастка экспериментальных исследований при положительных температурах
- Кинематические параметры шарнирной передачи привода
- Измерительная схема, приборы и аппаратура контроля температуры и деформаций
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Создание новых,
высокоэффективных технологий, техники, механизмов и
совершенствование существующих может быть обеспечено только на основе теоретических, экспериментальных исследований, натурных испытаний и достаточно обоснованных методов расчета, учитывающих конструктивные, технологические, экспериментальные факторы, влияющие на работоспособность конструкций: эксплуатационную надежность, долговечность и ремонтопригодность.
В настоящее время при капитальном ремонте трубопроводов существует проблема качественной очистки от полимерных изоляционных покрытий.
Отсутствие высокоэффективной техники, для качественного снятия полимерных покрытий трубопроводов в полевых условиях, приводит к значительному удорожанию ремонтных работ. В связи с этим, возникает актуальность поиска новых решений технологического и конструктивного характера, связанных с проблемой очистки трубопроводов.
Анализ конструкций и технологий изоляционно-очистных машин показал, что на их базе можно создать новые, перспективные машины, использующие термомеханический эффект Для этого, необходимо провести исследования температурных и динамических процессов, которые будут способствовать созданию высокопроизводительных машин для предремонтной очистки трубопроводов
Целью работы является изучение свойств материалов полимерных покрытий и стенки трубопровода при различных температурах, статических и динамических нагрузках; определение рациональных конструкций и технологических режимов процесса работы очистной машины.
4 Основные задачи исследования:
- установить механические характеристики полимерного покрытия и
материала трубопровода в температурном диапазоне от (80-450)К;
- установить основные технологические параметры процесса очистки от
полимерных покрытий на основе температурного и механического воздействий на трубопровод;
- провести модельный анализ динамических нагрузок в звеньях рабочего
привода термоочистной машины;
- определить основные рациональные конструктивные параметры
рабочего привода машины;
- провести стендовый эксперимент по очистке трубопровода при
различных температурных воздействиях.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
обоснована технология процесса очистки от полимерных покрытий типа «Nitto» и «Kendall» при температурах (195-213)К и (350-370)К;
установлены зависимости скорости и усилия отрыва полимерного покрытия от температуры в зоне его удаления;
определены интервалы распределения удельной энергии разрушения для пленочных покрытий типа «Nitto» и «Kendall»;
установлены зоны возможных резонансов и обоснованы рациональные режимы работы термоочистной машины.
установлено влияние угла разворота плоскостей установки ведущих вилок шарнирных передач на уровень динамических нагрузок в приводе с разветвленной шарнирной системой.
Достоверность и обоснованность результатов проведенных исследований обеспечена использованием принятой модели в рамках классических гипотез, допущений, строгих математических методов и методов механики, а также проверкой на экспериментальных установках,
5 удовлетворительным совпадением расчетных значений с результатами проведенных экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработанные методики испытания полимерного покрытия трубопровода могут быть использованы для исследований различных материалов при положительных и низких температурах;
на основе моделирования процесса очистки от полимерных покрытий трубопровода установлены оптимальные режимы процесса очистки, обеспечивающие высокую эффективность и качество, температурные режимы минимальной адгезии, не приводящие к снижению прочностных характеристик материала трубопровода;
полученный метод динамического расчета позволяет произвести оценку динамического воздействия в очистном механизме и рабочем роторе, играющих ключевую роль в процессе очистки. Данный метод позволяет избежать резонансные явления, обеспечив при этом работоспособную высокоэффективную и надежную конструкцию;
результаты, полученные в работе, касающиеся свойств полимерных покрытий при температурных режимах, динамических особенностей рабочих органов могут быть использованы при проектировании надежных и высокоэффективных очистных машин и устройств.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на региональных научных технических конференциях ассоциации строительных высших учебных заведений «Строительство и образования» (Екатеринбург 2000-2003), на III Всероссийском семинаре им С.Д. Волкова «Механика микрооднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004г.) на научных семинарах кафедры строительной механики УГТУ-УПИ (2000, 2003), на научно-техническом совете Тюменского государственного нефтегазового университета (Тюмень, 2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и изложена на 188 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 192 наименований.
Краткие сведения о трубопроводах
Ведущее место в развитии топливо-энергетической базы страны, определяющей прогресс индустрии, принадлежит газопроводам. С вводом в действие магистрали Уренгой-Помары-Ужгород наша страна вышла на первое место в мире по добыче и транспортировке природного газа [102].
Магистральные трубопроводы - весьма сложные и ответственные сооружения значительной протяженности, требующие своевременный осмотр и ремонт для безаварийной работы и поддержания проектной пропускной способности [3, 7, 11, 16, 28, 34, 42, 43, 45, 63, 79,169].
Магистральные нефте- и газопроводы сооружаются в основном из стальных труб диаметром 529, 720, 820, 1020, 1220 и 1420 мм. Рабочее давление газопроводов составляет до 9,8 МПа, а ныне построен уникальный переход протяженностью 300 км через Черное море диаметром 610 мм на давление 25 МПа [44].
В 1990 году добыча природного газа в стране составила 845 миллиардов кубических метров с общей протяженностью магистральных трубопроводов свыше 150 тысяч километров. Магистральный трубопровод представляет собой сложнейшее сооружение, а такой, как гигантский газопровод Уренгой-Помары-Ужгород, имеющий протяженность почти 4,5 тысячи километров, является уникальным сооружением, не имеющим аналогов в мировой практике. Один такой газопровод обеспечивает производительность 32 миллиарда кубических метра газа в год при диаметре труб 1420 мм и рабочем давлении 7,5 МПа. Протяженность магистральных трубопроводов до 1990 ежегодно возрастала на 10-13 тыс. км [135]. По данным [43] протяженность трубопроводов в 1995 году составила 300 тыс. км.
В ближайшие годы будут прокладываться морские трубопроводы на морском шельфе Сахалина, через Татарский пролив. От Штокмановского газового месторождения в Баренцевом море, Северо-Европейский газопровод на большом протяжении по дну Балтийского и Северного морей [44].
Наряду с возрастающей протяженностью трубопроводов возникла проблема с восстановлением проектной производительности магистральных газопроводов, так как из за опасности серьезных аварий в связи с развивающейся коррозией металла труб снижено рабочее давление на многих газопроводах. В связи с этим пропускная способность системы уже сокращена на 60 млрд. мЗ газа в год, и производительность газотранспортной системы снижается с каждым годом/Из обращения к Президенту России В.В. Путину по вопросам развития газовой промышленности страны в соответствии с решением конференции "Роль А.Н. Косыгина в развитии нефтегазового комплекса страны" от 28.04.2004г. г.Москва/.
В приложении к этому обращению отмечается, что из общей протяженности действующих магистральных газопроводов, 127 тыс. км, заизолированы пленочными материалами, срок службы которых составлял 12-15 лет, а это значит, что все 127 тыс. км требуют срочной переизоляции.
"Выполнение программы переизоляции, ремонта и реконструкции систем газопроводов становится центральной задачей устойчивого развития газовой промышленности, главным условием обеспечения "доступа к трубе" независимых производителей газа. Такая программа должна стать приоритетной задачей и в масштабе государства."- акцентируется в данном приложении.
Необходимо заметить, что на эту проблему и другие, связанные с совершенствованием технической эксплуатации и повышением надежности трубопроводных магистралей с одновременным обеспечением взрыво- и экологической безопасности указывалось еще в 1995 году учеными Западной Сибири В.А. Ивановым, В.Н. Чепурским, М.П. Чемакиным, Д.Х. Ким. [43], а также Малюшиным Н.А., Миняйло И.В. [79].
Среди мероприятий обеспечения длительной, безаварийной работы газопроводов необходима эффективная защита трубопроводов от коррозии.
На это указывается в работах ряда известных ученых Борисова В.И., Векштейна М.Г., Гумерова А.Г., Докторова Л.В., Дудалова Ю.А., Зубаирова А.Г., Иванова В.А., Иванцова О.М. Иванцовой С.Г., Каримова Н.З., Крылова Г.В., Кованова О.Д., Макарова В.М., Малюшина Н.А., Тимашева С.А., Яковлева Е.М. и др.
В ряде работ [14, 15, 34, 40, 64, 29, 153 и др.] отмечается, что для магистральных трубопроводов характерен постоянный коррозионный износ. Разрушение металла может происходить за счет коррозии. Различают коррозию в электролитах, почвенную и атмосферную. При этом металл разрушается с образованием мелких пятен и раковин (каверн) значительной глубины, иногда достигающих всей толщины стенки трубы.
На надежность трубопровода влияет ряд факторов, таких как дефект труб, брак сварочных пазов, повреждения в результате строительно-монтажных работ, нарушения правил эксплуатации, механические повреждения, внутренняя и внешняя коррозия и прочих [32, 43, 44, 64 и др].
В связи с этим уместно привести выписку из доклада Главного научного консультанта Российского Союза Нефтегазостроителей д.т.н., профессора О.М. Иванцова на Совете по координации работы, направленной на создание производства высокопрочных труб для ТЭК России [44]:
«Статистика аварий и отказов на газопроводах, на нефтепроводах свидетельствует о далеко не полном благополучии в трубном деле. За десятилетие (с 1991 по 2000гг.) по данным Госгортехнадзора из-за дефектов труб на магистральных трубопроводах имело место 12,1% аварий от общего количества. В 2002 г. по этой причине аварии на газопроводах составили 18,9%. Кроме того, в авариях, связанных с коррозией под напряжением, доля которых в том же году достигла 37,8%, есть и металлургическая, трубная составляющая».
По данным [64] наиболее опасными из них является внутренняя коррозия, составляющая 20% и внешняя коррозия соответственно 30,83% от общего числа разрушения за 15 лет эксплуатации линейной части магистральных трубопроводов.
Очень большое внимание вопросам касающихся коррозии металла трубопровода уделяется ВНИИСТ, о чем свидетельствуют статьи в журнале «Потенциал». В, частности, в работе Тоута А.Щ153] отмечается, что влияние на процесс образования стресс-коррозионных повреждений трубопровод оказывают химический, ионный и микробиологический состав грунтов. При этом, обращается внимание на влияние температурного фактора на активность и концентрацию агрессивных ионов среды, соприкасающихся со стенкой трубы, расширение критических пределов электродного потенциала, при которых протекает процесс коррозии под напряжением, на свойства изоляции трубопроводов.
В этой работе также отмечается, что одним из основных условий стресс коррозионного повреждения катодно-защищаемых трубопроводов становится отслоение, образование гофр и складок изоляционного покрытия.
Коррозия снижает сопротивляемость трубопроводов к различного рода воздействиям и ведет к преждевременному их выходу из строя.
В работе [43] отмечается, что в стране в год на каждую 1000 км трубопровода приходится по официальным данным две-три крупных аварии, связанные с разрывом труб и выбросом продукта, т.е. в год 600-900 аварий. При таких авариях на нефтепроводах потери составляют 5-7 тыс. тонн продукта, а в газопроводах до 2 млн. м3 газа выбрасывается в воздух. Ущерб исчисляется миллиардами рублей. При этом аварии трубопроводов связаны не только с большим материальным ущербом, но и с существенным нарушением экологии [43, 92].
Мощные газонефтепроводы являются объектом повышенной опасности и при недостаточной их надежности могут стать причиной катастрофических последствий [43].
Методика, оснастка экспериментальных исследований при положительных температурах
Учитывая, что на процесс очистки большое влияние оказывает величина усилия сцепления пленки с металлом трубы (адгезия), а она в свою очередь зависит от температуры мастики, поэтому в начале была определена эта характеристика.
Величина адгезии полимерной пленки определялась в соответствии с методикой в следующем порядке: вначале на образце размером 1200x80 или 1500x120 с помощью острого ножа по металлической линейке нарезались образцы шириной 10 мм и длиной не менее 30 мм, устанавливалась оснастка, собиралась цепь измерения температуры. После чего определялась адгезия при комнатной температуре, затем образец нагревался, и с интервалом в 5-6 определялось усилие отрыва пленки.
На рис.2. 8 показан общий вид установки для определения адгезии пленки. На переднем плане испытываемый образец, за ним стойка с блоком на шарикоподшипнике, через который проходит нить (леска) к которой с одной стороны прикреплен пружинный захват (типа крокодил), закреплённый к концу плёночного образца, а к другому концу нити прикреплена чашка технических весов, над которой расположена емкость с порошковым никелем. На столе слева направо установлен осциллограф, переключатель термопар, термостат, стабилизатор, технические весы. От образца к осциллографу идет термопара. Для более точного определения начала момента отрыва плёнки, в месте крепления захвата, устанавливается легкий контрольный стержень (белый), который в момент отрыва падал, в это время фиксировалась нагрузка.
Кусочки пленки снятые с образцов при определении адгезии На рис. 2.9 представлены кусочки пленки снятые с металлического образца в процессе определения адгезии.
Результаты по определению адгезии представлены в табл. 2.1 и в виде графика рис. 2.10 по полученным данным испытания 419 образцов. Такое большое количество испытанных образцов исключает случайные ошибки.
Графическая зависимость усилия отрыва P=f(T) от температуры Наименьшая адгезия равная 1,6-1,7 Н/с м, наблюдается в интервале температур (358-373)К, в обе стороны от этого интервала, величина адгезии растет и достигает величин ПН, т.е. на порядок выше. Следует отметить, очень малую величину адгезии в местах расположения сварных швов, практически при любой температуре (что, по-видимому, вызвано плохой проклейкой). Эти и ряд других данных опущены при статической обработке и в таблицу и график не включены. Аналитическая зависимость получена по экспериментальным данным, имеет вид:
При проектировании машины, испытывающей эффект нагрева, немаловажным фактором является время приведения её в рабочее состояние, а следовательно скорость нагрева нагревателя или рабочего тела, а также скорость их охлаждения и потребляемая при этом мощность.
Эти параметры определялись для нагревателя контактного типа (массивный медный нож), а для воздухонагревателя скорость нагрева песка. Для третьего типа нагревателя (нагрев токами большой силы) определялась скорость нагрева стального троса длиной 1м и диаметром 5мм.
Определение скорости нагрева и охлаждения исполнительных органов нагревателей определялись следующим образом. В начале опыта фиксировалась начальная температура для (контактного нагревателя) ножа, для воздухонагревателя фиксировалась температура песка. После чего нагреватель включался, и примерно с минутным интервалом фиксировалась температура и ее распространение по образцу. Скорость остывания определялась сразу на всём интервале, т.е. время отмечалось от конечной температуры до комнатной.
Результаты скорости нагрева представлены в таблице 2.2 и на рис. 2.11. Самая большая скорость нагрева, прямая 1, у троса диаметром 5мм и длиной 1м подключенного к зажимам сварочного выпрямителя ВДГ-603 ( 1Н=600А, UCB=10-55B ),она составила примерно 5 секунд, до Т=473К при токе 300А, напряжение 0,6В, мощность 180Вт. Остывание троса - примерно 1 минута.
Скорость нагрева массивного медного ножа при мощности 130Вт, представленная на рис. 2.11, кривой 2. В начальном участке разогрев идет довольно быстро, затем скорость разогрева падает. Чтобы разогреть нож до верхнего температурного интервала пониженной адгезии пленки (Т = 378К) необходимо порядка 5 минут. Таблица 2.2 Скорость нагрева нагревателей
Для разогрева ножа до температуры, например, 523К, потребовалось 16 минут. Остывание ножа от температуры 523 К до 293 К происходит примерно за 10 минут.
Кривая 3 на рис. 2.11 соответствует скорости нагрева песка в воздухонагревателе. Эта кривая идет значительно ниже, чем кривая 2, т.е. время нагрева гораздо больше при потребляемой мощности 300Вт (U=200B; 1=1,5А), т.е. до температуры 523К песок нагрелся за 24 минуты, что в полтора раза больше чем у ножа, при этом температура воздуха на выходе составила 423 К.
В процессе исследований было установлено распределение температур от различного типа нагревателей по длине образца.
Определение характера распределения температурного поля проводилось следующим образом: на очищенный металлический образец в девяти точках, с помощью полосок из пленки крепились термопары, затем над крайней термопарой устанавливали нож, или она обдувалась горячим воздухом, или крепился контакт от сварочного выпрямителя, включался нагреватель, и через равные промежутки времени (2-3 мин.), фиксировалась температура по всем девяти термопарам, десятая термопара находилась непосредственно на ноже или в отверстии с горячим воздухом.
Кривая 1, на рис 2.12, характеризует температурное поле на длине в 8см от контактного нагревателя. Как видно из таблицы, на расстоянии 0,8см, температура уменьшилась на 110С. В этой точке температура еще соответствует верхнему порогу температурного интервала наименьшей адгезии пленки (370К), а через 0,2см температура составляет величину нижнего порога адгезии 350К, дальше температура меняется медленнее и достигает температуры близкой к комнатной на расстоянии 6-8 см от источника тепла. Примерно такой же характер имеют кривые от воздухонагревателя (кривая 3) и от сварочного аппарата (кривая 2).
На кривой 3 соответствующей распределению температурного поля от воздухонагревателя, верхняя ее точка составляет 372К, что ближе к верхнему температурному порогу наименьшей адгезии плёнки. При этом температура воздуха на выходе из сопла — 423К, обдув велся с расстояния порядка 5-8мм, т.е. потери по температуре составили примерно 50.
На кривой 2 изображено распределение температур от захвата сварочного выпрямителя при этом напряжение составляло 0,8В, ток — 300А, мощность — 240Вт. Крайняя термопара была установлена на расстоянии 5мм от захвата. Нагрев проводился в течении 5 минут, при этом наибольшая температура составила, порядка, 330К.
Кинематические параметры шарнирной передачи привода
Перед установкой термопар в холодильных камерах и на образцах производилась их градуировка по шести точкам. Для создания минусовой температуры приготавливалась холодильная смесь, при температуре 273 К (тающий лед), при (260+263) К (хлористый натрий -33 г, лед - 100 г), при (255+257)К (хлористый аммоний 25 г, лед - 100 г), а также использовался жидкий азот (77,3 К) [23, 129]. для создания плюсовой температуры использовалась водная среда. По результатам замеров, для используемых термопар установлено, что полученные зависимости имеют линейный характер. По данным замеров и градуировки определялась температура испытываемых образцов и температура в морозильных камерах.
Влияние хладагента на свойства материала трубы Механические испытания проводились на образцах диаметром d = 6 мм и длиной / = 36 мм, которые вырезались непосредственно из трубы газопровода и обрабатывались на токарном станке. Одна часть образцов вырезалась из тела трубы без сварного шва, а другая часть - вырезалась со сварным швом. Образцы были разбиты на пять групп. Две группы образцов (по шесть образцов в каждой группе) со сварным и без сварного шва не обрабатывались сжиженным азотом, а остальные три группы выдерживались в азоте десять и 30 минут. После того, когда все образцы имели комнатную температуру, проводилось их испытание в соответствии с описанной выше методикой.
В табл. 2.14 приведены результаты экспериментальных исследований некоторых образцов на растяжение на машине ИМ-4Р. Первый и четвертый образцы не выдерживались в азоте, второй и пятый выдерживались десять минут, а третий - тридцать минут. Образцы с 1 по 3 без сварного шва, а 4 и 5 со сварным швом. На основании данных (табл. 2.14) построены диаграммы растяжения (рис. 2.37, 2.38), представляющие собой графические зависимости усилия Р от абсолютной продольной деформации Л1. Данные механических характеристик материала трубы приведены в табл. 2.15.
Анализ данных испытаний материала трубы на растяжение показывает, что выдержка образцов в жидком азоте до 30 минут приводит к некоторому увеличению предела прочности материала трубы: для основного материала примерно на 20 %, а для сварного материала -менее, чем на 0,5 %. Учитывая, что в реальных условиях обработка сжиженным азотом поверхности трубы не превышает (1,0-2) минут, то прочностные свойства материала трубы не должны практически изменяться, а если и изменяются, то в сторону увеличения прочностных свойств.
Для выявление возможного изменения структуры материала трубы (сталь 17Г1С) вследствие обработки поверхности жидким азотом и появления микротрещин при ударном воздействии нагрузок проведены металлографические исследования на шлифах, вырезанных из тела трубы: из основного металла трубы и из сварного шва и околосварной зоны.
Исследования микроструктуры производились на образцах в исходном состоянии и после обработки холодом (до температуры 77 К). Время выдержки в жидком азоте составляло 2 часа 15 минут.
Анализ микроструктур основного металла, сварного шва и околошовной зоны до обработки холодом показал, что они имеют резко отличающуюся структуру. Это связано с тем, что при сварке вследствие ускоренного охлаждения перегретого крупнозернистого аустенита происходит ориентированный относительно кристаллической решетки аустенита рост кристаллов до-эвтектоидного феррита с образованием неравновесной видманштеттовой структуры.
После обработки холодом (2 ч. 15 мин. при температуре жидкого азота) структура стали 17Г1С и сварного соединения этой стали не изменилась. Проверка образцов из трубы диаметром 1020 мм на наличие продольных и поперечных трещин был проведен в центральной полевой испытательной лаборатории с помощью дефектоскопа ДУК-66 ПМ. Кроме того, были проведены металлографические исследования на наличие трещин.
Поскольку, формирование феррито-перлитной структуры этой стали в результате закалки происходит при повышенных температурах, снижение температуры до 77 К не приводит к каким-либо изменениям в ней. Трещины по границам зерен в охлажденной стали обнаружены не были. По-видимому, возможные при охлаждении напряжения в этой стали невелики и не ведут к появлению несплошностей в структуре.
В каждой группе испытывались по шесть образцов при комнатной температуре 293К без отработки азотом, и при низкой температуре в диапазоне от 273К до123К. При испытании температура в камере и на образцах измерялась с помощью термопар и дублировалась с помощью термометра.
В табл. 2.16. приведены данные испытаний для некоторых образцов различного типа, а на рис. 2.39 -диаграмма растяжения этих образцов. Характерным для всех испытанных образцов является то, что предел прочности для основного металла трубы при комнатной температуре ниже, чем сварного шва примерно на (15-38) %, а предел прочности при низкой температуре (123 К) - у всех образцов выше на (9-30) %.
Разрушение образцов при низких температурах происходит при больших остаточных деформациях (рис. 2.39). Это свидетельствует, что материал трубы не теряет пластических свойств при низких температурах порядка 123 К.
Измерительная схема, приборы и аппаратура контроля температуры и деформаций
Рабочий орган очистной машины (рис. 3.1, 3.2), представляет собой разветвленную систему параллельно работающих двухшарнирных передач (1..І), связанных зубчатыми передачами и замыкающихся на двигателе.
В исследованиях приведенных выше и в работах [99, 108, 118-120, 122-125] показано, что во всех звеньях шарнирных передач возникают динамические нагрузки, которые имеют сложный периодический характер, могут достигать значительных величин и оказывать существенное влияние на работоспособность привода. Уровень динамических нагрузок можно понизить и свести до минимума (без конструктивных изменений), выбором соотношений статических и динамических параметров системы, на основе решения задачи оптимизации [105].
В приводе (рис.3.1) динамические моменты (М//,М/,), возникающие на ведущих звеньях шарнирных передач (1,...,/), передаются на двигатель. Таким образом, момент двигателя представляет суммарный момент от моментов всех звеньев, связанных с ним и зависит от статических и динамических параметров шарнирной системы [105, 120, 123, 124].
На уровень динамических моментов двигателя наряду с углами перекоса осей валов ун, угловых скоростей а и приведенных моментов инерции J и, жесткостей звеньев Sn, технологических моментов Ми, сил трения и диссипации, существенное влияние оказывает относительный угол а, разворота ведущих вилок шарнирных передач 1,...,/ (рис.3.1).
Углы разворота а, ведущих вилок шарнирных передач l,...,i могут устанавливаться при сборке агрегата и изменять по отношению друг к другу в широких пределах от 0 до ± я/2.
В работе приводятся результаты исследования оптимизации значении углов разворота а, ведущих вилок шарнирных передач 1,...,/, при которых неравномерность динамических нагрузок, передаваемая на привод имеет минимальное значение.
При решении задачи оптимизации угла разворота а,- рассматривается общий случай параллельно-работающих передач, динамическая модель которых рассмотрена в работе [124].
Вводятся два критерия неравномерности момента передаваемого на вал двигателя: 1. Критерий К; представляющий среднее значение за период модуля разности моментов на ведущих звеньях передач: 1 г т Kx=-]L\Msj-MTJ\dt (з.27) » о =1 где і = l,2,...m зависит от количества шарнирных передач, входящих в систему привода. Msj — суммарный момент передаваемый на звенья двигателя от всех шарнирных передач. Msj = Ми +М12+ ...+Мц. (3.28)
При этом динамические моменты Мц представляют собой функции угла поворота ведущих звеньев рц, угла разворота их вилок а,, статических и динамических параметров:
Минимуму первого критерия соответствует такое значение угла а,- при котором среднее значение модуля разности моментов за время t — минимально.
Минимуму второго критерия соответствует такое значение угла щ при котором максимальное значение модуля разности моментов - минимально.
В обоих критериях используются модули разности, а не разности моментов в связи со следующими обстоятельствами: -минимуму первого критерия может соответствовать такое значение а,- при котором функция Msj - MTi будучи знакопеременной имеет большую величину при некоторых значениях t; -минимуму второго критерия может соответствовать такое значение ос, при котором функция Msj - МТІ будет иметь большее по абсолютной величине отрицательное значение. Расчет функций Л"/ и К2 производился на ЭВМ для различных статических и динамических параметров системы. На рис. 3.16 показаны некоторые из графиков. Графики K](t) представляют собой прямые параллельные оси t, а графики К2(0 — функции, имеющие ряд локальных максимумов в течении рассматриваемого промежутка t. Расчеты показывают, что наибольшие значение оба критерия имеют когда углы разворота шарнирных передач а, равны 0 и достигают своего минимума при определенном угле в интервале от 0...к/2 в зависимости от соотношения параметров системы.
Определение оптимальных значений углов разворота а, по принятым критериям К/ и К2 производилось по специально разработанному алгоритму и программе с использованием процедур численных методов. Анализ расчетов по принятым критериям показывает, что для получения наименьшей неравномерности нагрузки на ведущем валу привода с шарнирными передачами, плоскости установки ведущих вилок шарниров каждой из передач необходимо разворачивать по отношению к друг другу на угол в зависимости от исходных параметров системы.
