Расчет и конструирование агрегатов пневматических и пневмогидравлических систем. Герметичность. Линии связи


Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана






А.В. Чернышев, О.В. Белова, Ю.В. Кюрджиев

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ АГРЕГАТОВ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ И ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГЕРМЕТИЧНОСТЬ. ЛИНИИ СВЯЗИ

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия по курсу «Пневматические системы и их элементы»









Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009

УДК 629.1.065(075.8)
ББК 32.965.2
    Ч-49
Рецензенты:
В.Н. Соллогуб, П.И. Пластинин
          Чернышев А.В.
    Ч-49 Расчет и конструирование агрегатов пневматических и пневмогидравлических систем. Г ерметичность. Линии связи : учеб. пособие по курсу «Пневматические системы и их элементы» / А.В. Чернышев, О.В. Белова, Ю.В. Кюрджиев. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. — 61, [3] с.

              Рассмотрены основные методы контроля и способы обеспечения герметичности пневматических и пневмогидравлических систем. Приведены сведения о составе, основах проектирования и расчете линий связи пневматических систем.
              Для студентов 4-го курса, обучающихся по специальности «Вакуумная и компрессорная техника» и изучающих курсы «Пневматические системы и их элементы» и «Теория и расчет вакуумного и электропневмомеханического оборудования». Пособие также может быть полезным при курсовом и дипломном проектировании.

                                                  УДК 629.1.065(075.8)
                                                  ББК 32.965.2



















                                             © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009

                ПРЕДИСЛОВИЕ





   Пневматические и пневмогидравлические системы (ПиПГС) являются неотъемлемой частью многих технических устройств и аппаратов. В том или ином виде они используются в системах автоматизации и механизации производства промышленных предприятий, в горнодобывающей и строительной индустрии, в транспортных системах и медицинской технике. Вместе с тем независимо от назначения и вида технического устройства или типа аппаратов все ПиПГС имеют много общего. Они состоят из источников энергии (сжатого газа), агрегатов управления, исполнительных устройств и линий связи.
   В отечественной и зарубежной литературе имеется множество публикаций, посвященных вопросам разработки агрегатов и исполнительных устройств ПиПГС. В большинстве случаев эти публикации носят разрозненный характер и отражают лишь частные вопросы разработки систем конкретных технических устройств.
   Данное учебное пособие, являющееся составной частью общей серии учебных пособий «Расчет и конструирование агрегатов пневматических и пневмогидравлических систем», посвящено вопросам обеспечения и контроля герметичности пневматических систем, основам конструирования и расчета соединительных устройств, трубопроводов и уплотнительных устройств.
   Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Пневматические системы и их агрегаты», и «Теория и расчет вакуумного и электропневмомеханического оборудования».

3

                ВВЕДЕНИЕ





   В соответствии с классификацией, приведенной в работе [1], ПиПГС состоят из источников энергии, управляющих устройств, машин и аппаратов, потребителей энергии. Все они объединяются в единую систему с помощью линий связи.
   Линии связи обеспечивают функциональное взаимодействие всех агрегатов и устройств, входящих в состав системы, и состоят из соединительных устройств и трубопроводов. Поскольку основным назначением линий связи ПиПГС является передача энергии рабочего тела, к ним предъявляют следующие требования:
   •     обеспечение требуемого расхода рабочего тела с заданной скоростью;
   •    механическая прочность;
   •    стойкость к воздействиям рабочей и окружающей среды;
   •    обеспечение минимальных потерь напора;
   •    минимальное гидравлическое сопротивление;
   •    минимальные массогабаритные характеристики;
   •    герметичность.
   Линии связи должны также удовлетворять эксплуатационным требованиям, т. е. обеспечивать:
   •    ремонтопригодность;
   •    технологичность изготовления и простоту сборки;
   •    взаимозаменяемость отдельных элементов;
   •    экономическую эффективность.
   В некоторых случаях линии связи представляют собой магистральные сети, содержащие в основном прямые трубы большой протяженности (например, газо- и нефтепроводы) и достаточно редкие разветвления и узлы регулирования потока рабочей среды.

4

   В других случаях это сравнительно небольшие по протяженности линии связи с большим числом разнообразных препятствий в виде фасонных и разветвленных частей, дросселей, клапанов, регуляторов, решеток, например, воздуховоды систем вентиляции и кондиционирования, газоходы промышленных химических и металлургических установок, топливопроводы автомобилей, ракет, самолетов и т. д.
   Достаточно часто ПиПГС представляют собой единый агрегат, например, теплообменник, двигатель, турбину, газоочистительную установку, аппараты химической, металлургической, пищевой промышленности и ряд других. В этом случае системы обычно содержат большое количество коротких трубопроводов с поворотами, изгибами, кручением, а также местных сопротивлений.
   При проектировании ПиПГС необходимо корректно определить гидравлическое сопротивление сети и оценить элементы сети с точки зрения надежности и прочности. Для широкого класса агрегатов и систем помимо гидравлического сопротивления важной характеристикой являются потери тепловой энергии в результате транспортировки рабочей среды (часто бывает необходимо отвести от рабочего тела максимальное количество теплоты). Примерами таких систем могут быть паропроводы, системы транспортировки жидких металлов-теплоносителей, теплообменники и т. п. Если для силовых исполнительных устройств (например, пневмоцилиндров) потери тепловой энергии (охлаждение при транспортировке сжатого воздуха) изменяют динамические и силовые характеристики в пределах 1 % и, следовательно, в подавляющем числе случаев не учитываются, то для агрегатов этого класса актуальной становится задача расчета тепловых потерь, частью которой является расчет потоков между рабочим телом и трубопроводом.

                1. ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ И ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ




   Герметичность — способность оболочки (корпуса) агрегата ПиПГС, отдельных ее элементов и соединений препятствовать газовому или жидкостному обмену между средами, разделенными этой оболочкой. Требования к степени герметичности оболочки определяют исходя из условий обеспечения нормального течения рабочего процесса, для которого осуществляется герметизация. Степень герметичности оболочки характеризуется количеством вещества, перетекающего через нее в единицу времени, и измеряется в граммах в секунду.
   Герметичной считается оболочка, газовый или жидкостный обмен через которую не превышает допустимого. Герметичность — важное свойство, которое необходимо учитывать при проектировании герметизируемых объектов, предназначенных для длительного хранения и эксплуатации. По количественной характеристике герметичности определяют надежность и долговечность устройства. Для этого расчетным путем устанавливают вероятный промежуток времени, в течение которого при заданных условиях эксплуатации (перепаде давления, температуры, нагрузки и т. п.) сквозь отдельные элементы или через всю оболочку проникает жидкость или газ, способные вывести из строя герметизируемый объект.
   Обеспечение герметичности ПиПГС является сложной и ответственной задачей, стоящей перед разработчиками и производителями данной техники. На потерю герметичности элементов ПиПГС приходится значительная доля отказов технических систем, в составе которых они эксплуатируются. Потеря герметичности элементов ПиПГС стационарного или транспортного исполнения с возобновляемым запасом рабочего тела во многих случаях приводит к изменению их технических характеристик и частичной

6

или полной потере работоспособности изделия. Особое внимание вопросам герметичности элементов пневматических систем уделяют в тех случаях, когда в качестве рабочего тела используются пожаро-, взрывоопасные и токсичные газы.
   Наиболее проблемными узлами с точки зрения обеспечения герметичности в процессе разработки, производства и эксплуатации ПиПГС, пневматических агрегатов и исполнительных устройств являются:
   • корпусные детали и стенки трубопроводов;
   • соединительные устройства;
   •    узлы разъединения полостей пневмоагрегатов и исполнительных устройств;
   • запорные органы клапанов и регулирующих устройств.
   Для контроля герметичности агрегаты и исполнительные устройства ПиПГС проходят гидравлические испытания, которые выполняют в два этапа:
   •    гидравлическое испытание на прочность, непроницаемость металла неподвижных разъемных соединений, сальников и мест подсоединения;
   • испытание рабочего (запорного) органа на герметичность.
   Гидравлические испытания. Для того чтобы гарантировать прочность детали и непроницаемость металла, проводят испытания на прочность. Деталь испытывают при пробном давлении, которое в 1,25-2,0 раза превышает условное давление [2]. Испытания проводят водой при нормальной температуре, а наличие или отсутствие протечек выявляют внешним осмотром испытуемого изделия, по падению давления в замкнутом объеме или с помощью специальных приборов. Гидравлическое испытание должно проводиться до покраски изделия. Применять при высоких давлениях воздух, другие газы или пар для этих целей не рекомендуется, так как это опасно для персонала, поскольку испытанию подлежат изделия, прочность которых окончательно не установлена.
   Продолжительность испытания устанавливается соответствующей технической документацией (стандартами или техническими условиями). Время выдержки изделия под пробным давлением должно быть достаточным для осмотра и установления годности изделия. В ряде случаев продолжительность нахождения под давлением выбирают в зависимости от наибольшей толщины

7

стенки корпусных деталей. Для ответственных изделий время выдержки назначают не менее 10 мин. После выдержки давление снижают до 4/5 пробного давления и проводят тщательный осмотр изделия. Давление при осмотре должно поддерживаться постоянным. Пропуск воды в сварные швы и образование конденсата на поверхности металла не допускаются.
   Испытания на герметичность. Испытание арматуры на герметичность проводят для проверки качества проектирования и изготовления запорных органов агрегатов и исполнительных устройств. Одновременно контролируют герметичность подвижных и неподвижных соединений, сильфонных или мембранных узлов. Гидравлическое испытание на герметичность проводят под условным давлением ру и выполняют после гидравлического испытания на прочность. В закрытом положении агрегаты ПиПГС не должны пропускать среду из одной части системы в другую.
   Однако в ряде случаев нет необходимости предъявлять к арматуре особо высокие требования в отношении герметичности, поскольку иногда некоторая незначительная протечка среды допустима, а обеспечение абсолютной герметичности запорного органа бывает сложным и экономически неоправданным. В связи с этим разработана классификация арматуры по классам герметичности с соответствующими нормами допустимой протечки [3, 4].


            1.1. Классы герметичности


   Класс герметичности арматуры общепромышленного назначения устанавливают в зависимости от ее назначения [5]: 1-й класс — арматура для взрывоопасных и токсичных сред; 2-й класс — арматура для пожароопасных сред; 3-й класс — арматура для остальных сред. По мере усложнения условий эксплуатации и создания новых типов арматуры введены новые классы герметичности A, B, C, D, B1, C1 и D1 [3].
   Нормы герметичности по ГОСТ 9544-93 распространяются на арматуру общепромышленного назначения с условным диаметром прохода Dy = 3.. .2000 мм для условных давлений ру = 0,1.. .20,0 МПа.
   Для арматуры 1-го и 2-го классов герметичности предусмотрены нормы при испытаниях воздухом или водой, для арматуры 3-го класса герметичности — только водой. При испытаниях водой до

8

пускаемый пропуск не зависит от условного или рабочего давления, при испытании воздухом (в связи со сжимаемостью газов) нормы дифференцированы в зависимости от значений условного давления.
   Арматура специального назначения, применяемая в авиационной и ракетно-космической технике, работающая под давлением сжатого газа или вакуума, по нормам герметичности (утечек и натеканий) разделена на 12 групп, приведенных в табл. 1 [6]:


Таблица 1

Группы и нормы герметичности

Группа             2-1      2-2      2-3      2-4      2-5      2-6   
герметичности                                                         
Норма герметич-                                                       
ности, П;гл/с.  1,3-10-10 1,3^10-8 1,3^10-6 1,3-10-5 1,3^10-4 1,3-10-3
не более                                                              
Группа             2-7      2-8      2-9      2-10     2-11     2-12  
герметичности                                                         
Норма герметич-                                                       
ности, П;гл/с.   2,640-3  1,3-10-2 2,640-2  1,3-10-1 1,3-101  6,6-102 
не более                                                              

            1.2. Расчет допустимых пропусков испытательной среды


   Нормы герметичности, приведенные в ГОСТ 9544-93, предусматривают допустимый пропуск испытательной среды при испытаниях условным или рабочим давлением по ГОСТ 356-80 при температуре испытательной среды (20± 10) °С. При испытаниях в других условиях пересчет значений допустимого пропуска среды должен осуществляется по методикам, приведенным в нормативно-технической документации.
   При определении допустимых пропусков испытательной среды используются следующие формулы [5]:
   • при испытаниях воздухом


u = lOknDy/2 (p + 0,2),

9

где u — допустимый пропуск воздуха, см³/мин; k — коэффициент, зависящий от класса герметичности (для 1-го класса герметичности k = 1, для 2-го класса k = 3); n — коэффициент, зависящий от типа арматуры (для вентилей n = 7,5 • 10-4; для запорной арматуры n = 2,6 -10-3); Dy — условный диаметр прохода, мм; p — давление среды, МПа;
   • при испытаниях водой

u1 = kmDy3¹²,

где u1 — допустимый пропуск воды, см³/мин; k — коэффициент, зависящий от класса герметичности (для 1-го класса k = 1, для 2-го класса k = 3, для 3-го класса k = 10); m — коэффициент, зависящий от типа арматуры (для вентилей m = 5 -10-5; для запорной арматуры m =1,6 -10⁻⁴).
   В большинстве случаев негерметичность достаточно надежно выявляется при испытаниях воздухом под давлением 0,5. ...0,6 МПа, а расчет допустимого пропуска воздуха может быть выполнен по зависимости

u₂= k₂u,

где u2 — допустимый пропуск воздуха при испытаниях под давлением 0,6 МПа; u — допустимый пропуск среды при испытаниях герметичности арматуры условным давлением рабочей среды, см³/мин; k2 — безразмерный коэффициент пересчета.
   Некоторые значения коэффициента пересчета k2 приведены в табл. 2.


Таблица 2

Значения коэффициентп пересчета k2

Среда  Условное давление ру, МПа      
       0,6 1,0 1,6   2,5   4,0   6,4 
Воздух 1,0 0,4 0,17 0,071 0,029 0,011
Вода   220 132  82   53    33    21  

10