Определение тензометрическим методом остаточных напряжений в конструкциях сборных теплообменных труб

Волжский филиал Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, г. Самара

Рассмотрен процесс волочения сборных труб сложных поперечных сечений. Показано применение тензометрического метода для определения остаточных сборочных напряжений. Даны технологические рекомендации по выбору параметров волочения, обеспечивающие требуемый натяг.

Проблема создания высокоэффективных теплообменных аппаратов неразрывно связана с разработкой и освоением технологии производства новых труб сложной формы с развитой поверхностью, позволяющей резко увеличивать эффективность теплообмена. Одним из перспективных способов их производства является холодное волочение [1].

Волочение позволяет получать различные трубы сложных сечений(многоканаль-ные, двустенные и т.д.) и широкого сортамента с наружным диаметром 12-40мм и толщиной стенки ребер и оболочки 1-2мм ( рис . 1 ) . При этом наружную и внутреннюю части сборных труб изготавливают в виде прессованной оболочки и ребристого сердечника чаще всего из разнородных металлов. Оболочку, надетую с зазором на ребристый сердечник или трубу, осаживают через специальные фильеры методом волочения. После волочения сердечник расположен внутри оболочки с натягом.

Основное требование, предъявляемое к сборным многоканальным трубам - наличие прочной связи ребристой вставки с оболочкой по длине и периметру трубы. Это обеспечивает герметичность зоны контакта и минимальное термическое сопротивление, а также гарантирует высокие эксплуатационные свойства теплообменных труб [2].

Прочность связи ребристой вставки с оболочкой можно оценить величиной контактного давления q на границе ребро-оболочка, для нахождения которого чаще всего применяют тензометрический метод [3].

Для определения контактных давлений в сборных трубах были проведены эксперименты в лабораторных условиях. Использовали гладкие оболочки из М3 диаметром 22мм и толщиной стенки h = 1.5мм. В оболочки были свободно вставлены звездообразные сердечники с диаметром описанной окружности 18.5мм из алюминиевого сплава АД31Т1 с числом ребер, равным десяти.

Вытяжка при сборке волочением по оболочке составляла 1.2; 1.34; 1.45. Волочение труб ( рис . 1а ) , осуществляли на универсальной испытательной установке ЦДМУ-30 через конические волоки с полууглом 12 ° и диаметрами 20, 19 и 18мм. После волочения трубы были нарезаны на длины, кратные трем диаметрам готовой трубы. Внешняя поверхность исследуемых образцов труб тщательно обезжиривалась спиртом. На нее наклеивались электрические тензодатчики сопротивления с базой 1мм. Наклейку тензодатчиков производили клеем « Циокрин » . Тензодатчики накладывали на нанесенный слой клея и тщательно прижимали, через 2-3 минуты клей высыхает и тензодатчики являются приготовленными к эксперименту. При

Рис. 1 - Виды сборных труб а - многоканальная труба, б - двустенная труба 1 - оболочка, 2 - ребристый сердечник (труба)

этом исключается необходимость сушки клея при повышенных температурах, и в длительной выдержке образцов на воздухе. Все это позволяет избежать снятия (релаксации) напряжений в исследуемом образце, тем самым повысить точность эксперимента. Тензодатчики клеились в следующем порядке: три тензодатчика над ребрами сердечника, три между ними.

Выводы каждого тензодатчика подсоединяли к тензометрической аппаратуре (тен-зо-мост ВСТ-4, гальванометр, источник тока). Показания гальванометра фиксировали величину электрического тока, проходящего через тензодатчик. Затем оболочку образца аккуратно распиливали в продольном направлении между ребрами. После чего вновь замеряли электрический ток, проходящий через соответствующий тензодатчик. При этом в следствии снятия остаточных напряжений оболочка получала деформацию, фиксируемую посредством изменения сопротивления тензодатчика. Разницу между первым и вторым показанием гальванометра д А использовали для определения по тарировочному графику деформации е . Затем по приведенным ниже формулам посчитывали контактное давление q и окружное напряжение s t .

Многоканальную трубу можно представить в виде оболочки, на внутреннюю поверхность которой в дискретных точках действует погонная разгрузка ребер Р.

Нормальная сила N и момент М, появляющиеся в оболочке при разгрузке над ребрами после распилки:

После подстановки (2) в (1), получим

s 1

P

^{2 ht}g p n

6 R _ 6 Rn p h p h n

.

Упругая деформация разгрузки

s1 P (6R 6Rn p T e = — =------1---tg--1I

E    2 htg p ^ h p h   n   0 ,

n

откуда погонная нагрузка

2phEtg p

P = ---------ⁿ---

6R 6 Rn p , .            (4)

---tg— — 1

h p h n

Контактное давление легко найти по формуле Лапласа

q ¹ = | s 1 .                 (5)

Расчетные формулы для датчиков, расположенных между ребрами при разгрузке имеют аналогичный вид:

N = _

P

M =

PR

p

2sin—

p

2sin—

n

s1

2tg p n 0

;

P ( 6R 6 Rn . p

-----1---sin— hp n

. p I h 2 h sin— n

R - средний радиус оболочки. Окружное напряжение

A-A

У/////////Д

i s•

N My F - J ’

„ ..         1* h ³

где F = h *1; J = 12 ; y = 0,5h .

Рис. 2 - Схема нагружения тарировочного образца 1 - нагрузка, 2 - тензодатчик, 3 - консоль: в=20мм; h=3MM; L =54мм, 2=80мм

Рис. 3. Тарировочный график

Для построения тарировочного графика проводились эксперименты на стальном образце прямоугольного сечения (рис . 2).

На образец приклеивались тензодатчики. Тарировочный образец жестко закрепляли одним концом в зажиме, другой конец оставляли свободным (консоль). Свободный конец консоли нагружали усилиями 0.5кг; 1.5кг; 3.5кг, являвшимися нагрузкой тарировки Р. Для каждого усилия нагружение консо ли проводили три раза.

По результатам экспериментов построен тарировочный график (рис . 3 ) .

Расчет величин контактных давлений над ребрами и между ребрами показали их близкую сходимость. Такое явление вполне допустимо, так как при большом числе ребер тонкостенную оболочку можно принять равномерно нагруженной внутренним q .

На рис . 4 приведены результаты экспериментальных исследований контактных давлений q и окружных остаточных напряжений s . Как следует из графика, с увеличением вытяжки s и соответственно контактное давление возрастают.

Рис. 4 - График зависимости контактного давления и окружного напряжения от вытяжки 1 - окружное напряжение st, 2 - контактное давление q

Таким образом, вытяжку при сборке труб необходимо назначать с учетом натяга, обеспечивающего возникновение контактного давления q , вследствие разной величины упругой отдачи сочленяемых элементов. Тензометрический метод позволяет найти необходимое давление, обеспечивающее прочную связь ребристой вставки с оболочкой.