李 淑 云
(撫順榮盛機(jī)械制造有限公司,遼寧 撫順 111419)
開孔在壓力容器設(shè)計中是不可避免的,開孔除削弱器壁的強(qiáng)度以外,在殼體和接管連接處破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力,給容器的安全帶來隱患.常規(guī)設(shè)計中,對容器的最大開孔直徑都有限制,如我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011《壓力容器》,采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法,規(guī)定圓筒開孔:當(dāng)其內(nèi)直徑Di≤1 500 mm 時,開孔最大直徑d≤Di/2 ,且d≤520 mm ;當(dāng)其內(nèi)直徑Di>1 500 mm 時,開孔最大直徑d≤Di/3,且D≤1 000 mm 。承受內(nèi)壓的殼體,有時不可避免的要出現(xiàn)大開孔[1,2]。當(dāng)開孔直徑超過標(biāo)準(zhǔn)中允許的的開孔范圍時,孔周邊會出現(xiàn)較大的局部應(yīng)力,因而不能采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算。目前對大開孔的補(bǔ)強(qiáng)常采用基于彈性薄殼理論解的圓柱殼接管補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積法和有限單元等方法進(jìn)行設(shè)計。
按照鋼制壓力容器分析設(shè)計規(guī)范中的應(yīng)力分類法,容器大開孔后引起的應(yīng)力有:局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,由于應(yīng)力集中現(xiàn)象引起的峰值應(yīng)力。這三種應(yīng)力對容器的破壞和加載方式密切相關(guān),因此,在壓力容器設(shè)計中,必須對它們區(qū)別對待,并選擇合適的補(bǔ)強(qiáng)方法。針對某制造廠生產(chǎn)的夾套式容器的結(jié)構(gòu)特點,本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS,對容器大開孔接管部位進(jìn)行應(yīng)力分析,采用分析設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度校核,并與壓力面積法比較來驗證其安全性[3-5]。
依據(jù)容器實際結(jié)構(gòu)建立有限元模型,筒體總長2 180 mm,內(nèi)筒內(nèi)徑Di=1 840 mm,夾套內(nèi)徑D2=1 940 mm,在距離殼體一端1 451 mm的位置垂直于軸線開di=1 046 mm的圓孔,殼體內(nèi)部設(shè)計壓力P=1.76 MPa,夾套內(nèi)設(shè)計壓力P2=0.3 MPa ,設(shè)計溫度T=100 ℃,殼體名義厚度δ=25 mm,外筒名義厚度δ2=10 mm ,接管名義厚度δt=25 mm ,殼體、夾套和接管材料均為Q345R,設(shè)計條件下的許用應(yīng)力強(qiáng)度[σ]=188 MPa 。
充分考慮該容器結(jié)構(gòu)和載荷特點,選取殼體和開孔接管的1/2進(jìn)行分析,由于整個筒體兩端有不同的連接部件,分別簡化兩端結(jié)構(gòu),建立模型,有限元模型如圖1所示。在內(nèi)筒內(nèi)外表面和夾套內(nèi)表面均勻施加作用的壓力,位移約束采用沿對稱剖分面的對稱約束,限制此方向上的自由度。采用四面體單元solid 20 node 95進(jìn)行網(wǎng)格劃并進(jìn)行應(yīng)力分析,單元材料的彈性模量E=2×105MPa ,泊松比μ=0.3。
圖1 有限元模型Fig.1 Finite model
在壓力作用下,開孔部位應(yīng)力分布如圖2。
圖2 開孔部位應(yīng)力分布Fig.2 Openings stress distribution
應(yīng)力集中區(qū)域為接管和筒體連接部位,對此處定義多條路徑并提取應(yīng)力值進(jìn)行強(qiáng)度校核。按照分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JB4732-95中的分析設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核,即一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為1倍的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度;一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限為 1.5倍的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度[6,7]。各分析路徑上具體的應(yīng)力強(qiáng)度評定如下:
內(nèi)筒和接管連接處一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度:
內(nèi)筒和接管連接處一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度:
夾套和接管連接處一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度:
夾套和接管連接處一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度:
壓力面積分析法是以受壓面積和承載面面積的力平衡為基礎(chǔ)的方法,即壓力在受壓面積上形成的總力與有效補(bǔ)強(qiáng)范圍中δ的殼體、接管和補(bǔ)強(qiáng)材料的面積所具有的承載能力相平衡[8]。工程上常用該法對開孔率超出等面積適用范圍的大開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),結(jié)合圖3,壓力面積法的計算通式為:
Ap:補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)的壓力作用面積,mm2;
Aσ:殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)金屬的有效承載截面積 mm2;
[σ]:設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力,MPa;
P:設(shè)計壓力 MPa;b:殼體上有效補(bǔ)強(qiáng)寬度;
h1:接管外側(cè)補(bǔ)強(qiáng)有效高度,mm;
δ:殼體厚度,mm;
δt:接管厚度,mm;
c':接管壁厚附加量,mm;
c:殼體壁厚附加量mm。
依據(jù)鋼制化工容器強(qiáng)度設(shè)計規(guī)定中的壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法對此大開孔進(jìn)行計算,其尺寸和材料和上一節(jié)相同(圖3)。
圖3 壓力面積法計算圖Fig.3 Calculation chart of pressure area method
接管外側(cè)補(bǔ)強(qiáng)的有效高度:
殼體補(bǔ)強(qiáng)的有效寬度:
可見補(bǔ)強(qiáng)滿足要求。
按照壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法相同的步驟對外夾套進(jìn)行強(qiáng)度計算,其強(qiáng)度也滿足要求。壓力面積法是建立在一次加載方式下靜力強(qiáng)度基礎(chǔ)上的補(bǔ)強(qiáng)方法。其補(bǔ)強(qiáng)范圍相對較小,具有密集補(bǔ)強(qiáng)的特點,可以有效降低開孔接管部位的應(yīng)力集中,從而相貫殼體部位更趨于安全,這也是壓力面積法常用于壓力容器大開孔的原因。
圖5 各類磨損顆粒掃描電子顯微鏡-能譜分析結(jié)果Fig.5 The SEM results of variable wear particles
(1)通過上述綜合分析結(jié)果判斷:發(fā)動機(jī)軸承存在異常的磨損,應(yīng)立即停止試驗。發(fā)動機(jī)分解后進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)軸承的滾珠表面失去金屬光澤,有明顯的麻坑;內(nèi)外環(huán)跑道存在過熱灼燒的痕跡和磨損;保持架表面有輕微磨損。驗證了磨損顆粒綜合分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(2)光譜分析、自動磨粒分析、鐵譜分析、電子顯微鏡-能譜分析等四種技術(shù)各具特點、互為補(bǔ)充。綜合利用上述分析技術(shù),能夠及時發(fā)現(xiàn)磨損故障隱患,準(zhǔn)確判斷異常磨損部位,有效、快捷的進(jìn)行磨損故障的預(yù)先診斷,提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。
[1]Fitch,E.C.Fluid Contamination Control[R]. FES Inc., 1988.
[2]呂伯平,陳明華. 航空油液監(jiān)測技術(shù)[M]. 北京:航空工業(yè)出版社,2006.
[3]嚴(yán)新平,謝友柏,蕭漢梁. 油液監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].中國機(jī)械工程,1997,8(1):102-105.
[4]卿華,王新軍. 飛機(jī)油液監(jiān)控技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2011.
[5]王立東,石成江.光譜與鐵譜的原理及其在設(shè)備診斷中的應(yīng)用[J].哈爾濱軸承,2008,29(3): 52-55.
[6]楊宏偉,謝鳳,鐘新輝,吳超,楊士亮.基于潤滑油狀態(tài)監(jiān)控的發(fā)動機(jī)故障診斷[J].合成潤滑材料,2009,36(4)40-42.
[7]董宏軍,趙海波,李峰秋.我國油液分析技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2004,32(6):10-11.
[8]費(fèi)逸偉,張冬梅,姜旭峰.油液監(jiān)測技術(shù)及其在航空發(fā)動機(jī)故障診斷中的應(yīng)[J].航空發(fā)動機(jī),2004,30(3): 45-48.
[9]徐金龍,易如娟.基于自動磨粒分析技術(shù)的直升機(jī)在用發(fā)動機(jī)油界限值的研究[J].潤滑與密封,2012,37(2): 110-116.
[10]許斌,余學(xué)軍.油液分析技術(shù)在設(shè)備維修中的應(yīng)用與研究[J].潤滑油,2006,21(2):61-64.
[11]王景霖,李艷軍,陸亦彬,毛國強(qiáng).航空發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測技術(shù)研究[J].飛機(jī)設(shè)計,2009,29(3):56-70.