何家勝 黃瑞鋒 伍 偉

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

設(shè)計(jì)與計(jì)算

預(yù)緊工況下雙錐環(huán)的有限元分析及優(yōu)化

何家勝*黃瑞鋒 伍 偉

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

建立某加氫反應(yīng)器雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析在預(yù)緊工況下，對雙錐面施加一定的預(yù)緊分布壓力后，雙錐環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度與錐角對其徑向壓縮位移的影響。研究結(jié)果表明，該雙錐環(huán)在預(yù)緊工況下能實(shí)現(xiàn)良好的密封，其徑向壓縮位移隨厚度的增加而減小，隨雙錐環(huán)錐角的增大而增大。

雙錐環(huán) 錐角 密封性能 有限元 徑向位移 預(yù)緊工況

0 序言

雙錐密封是一種半自緊密封形式，與僅依靠殘余預(yù)緊力的常用法蘭連接密封形式有較大差別，目前規(guī)范上僅僅給出了有限的幾種規(guī)格參數(shù)。當(dāng)實(shí)際工程中雙錐密封的有關(guān)參數(shù)與規(guī)范中的參數(shù)不相對應(yīng)時，就需要有效地調(diào)整參數(shù)，以保證密封效果。

本文主要探討雙錐密封的結(jié)構(gòu)和密封原理，包括雙錐環(huán)的材質(zhì)、厚度、高度、錐角、直徑、所受壓力等因素對密封效果的影響。結(jié)合某煉廠加氫反應(yīng)器雙錐密封的具體情況，運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法求解預(yù)緊情況下雙錐環(huán)墊片處的壓緊力，雙錐環(huán)的形變、應(yīng)力，并探討壓力波動情況下墊片處壓緊力的變化情況。圖1所示為該雙錐環(huán)的結(jié)構(gòu)，其中試樣材料為35鋼，其彈性模量為212 000 MPa，泊松比為0.31，密封面預(yù)緊分布壓力為60.7 MPa，設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa。本文主要對內(nèi)圓柱面直徑（Di）為975 mm和1 171 mm的標(biāo)準(zhǔn)雙錐環(huán)進(jìn)行改進(jìn)和研究。

1 雙錐面的結(jié)構(gòu)及受力分析

雙錐環(huán)預(yù)緊狀態(tài)下的受力分析如圖2所示。在預(yù)緊狀態(tài)下，應(yīng)保證密封面上的軟金屬墊片達(dá)到初始密封的條件，同時應(yīng)使雙錐環(huán)產(chǎn)生徑向位移以消除雙錐環(huán)與平蓋支撐面之間的徑向間隙 （g）。

圖1 雙錐密封結(jié)構(gòu)

圖2 預(yù)緊狀態(tài)下雙錐環(huán)受力分析

取軟金屬墊片為退火鋁材料，查資料得其預(yù)緊密封比壓 （y）為60.7 MPa，雙錐面上所受的法向壓緊力計(jì)算式為：

預(yù)緊時雙錐環(huán)發(fā)生收縮變形，與平蓋有相對滑動，雙錐環(huán)受到摩擦力 （Fm）作用，摩擦力方向如圖2所示，其計(jì)算式為：

而總螺栓預(yù)緊力 （W0）為Fm和雙錐面所受的正壓力 （N0）的合力在豎直方向上的分力，其計(jì)算式為：

表1為根據(jù)式（1）～式（4）得出的標(biāo)準(zhǔn)狀況下雙錐環(huán)基本參數(shù)表。

2 有限元分析

2.1 模型建立

本文只對雙錐環(huán)部分建立模型并進(jìn)行分析。雙錐環(huán)為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以在ANSYS建模中可采用平面來表示空間軸對稱模型，如圖3、圖4所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

雙錐環(huán)模型網(wǎng)格劃分如圖5所示，共有5426個節(jié)點(diǎn)，1741個單元。

表1 雙錐環(huán)基本參數(shù)

圖3 平面空間軸對稱模型

圖4 雙錐環(huán)三維模型

圖5 雙錐環(huán)模型網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件

模型中，需對上下錐面的法向方向進(jìn)行約束，但因?yàn)樵撃Ｐ蜑榭臻g軸對稱模型，所以只需對該平面的斜邊法向進(jìn)行壓力分布即可，如圖6所示。由GB 150—2011《壓力容器》查得雙錐面的預(yù)緊分布壓力為60.7 MPa。

3 結(jié)果分析

3.1 整體位移分布情況

在預(yù)緊分布壓力的作用下，雙錐環(huán)的整體位移分布如圖7所示。由圖7可見，雙錐環(huán)位移分布并不均勻，最大位移出現(xiàn)在其內(nèi)圓柱面的上下側(cè)。

3.2 改變雙錐環(huán)厚度對其徑向位移的影響

圖8～圖10是在其他參數(shù)條件不變的情況下，僅僅改變雙錐環(huán)厚度，其徑向位移的云圖比較。

圖6 雙錐環(huán)的邊界條件

圖7 雙錐環(huán)整體位移分布情況

圖8 厚度為23 mm標(biāo)準(zhǔn)雙錐環(huán)徑向位移分布云圖

通過GB 150—2011可知，徑向間隙g的取值范圍為 （0.075%～0.125%）D1，對于內(nèi)徑D1為975 mm的雙錐環(huán)，g取平均值為0.975 mm。而預(yù)緊時應(yīng)保證密封面上的軟金屬墊片達(dá)到初始密封條件，應(yīng)使雙錐環(huán)產(chǎn)生徑向彈性壓縮以消除雙錐環(huán)與平蓋支撐面之間的徑向間隙。

圖9 厚度為23～26 mm的非標(biāo)雙錐環(huán)徑向位移云圖

圖10 厚度為23～28 mm的非標(biāo)雙錐環(huán)徑向位移云圖

圖8～圖10的最大徑向位移分別為1.45 mm、1.26 mm、1.16 mm，都大于 g（0.975 mm），所以設(shè)計(jì)是合理的，且徑向壓縮位移隨著雙錐環(huán)厚度的增加而逐漸減小。

為了能更清晰明了地反映雙錐環(huán)厚度與徑向位移的關(guān)系，可對4種不同內(nèi)徑下雙錐環(huán)厚度與最大徑向位移的變化曲線作一比較，如圖11所示。

圖11 不同內(nèi)徑下雙錐環(huán)厚度與最大徑向位移的關(guān)系

3.3 改變雙錐環(huán)錐角對其徑向位移的影響

圖12～圖13是在其他參數(shù)條件不變的情況下，僅僅改變雙錐環(huán)錐角，對其徑向位移影響的云圖比較。 由雙錐環(huán)截面形狀可知， [（A-C）/2]tanα＜B，代入數(shù)據(jù)可得 α＜51.2°。由圖8、圖12和圖13可知，錐角分別為30°、37.5°、45°時，徑向位移分別為1.45 mm、1.53 mm、1.64 mm，即徑向壓縮位移隨著雙錐環(huán)錐角的增大而逐漸增大。

圖12 厚度23 mm、錐角37.5°時雙錐環(huán)徑向位移云圖

圖13 厚度23 mm、錐角45°時雙錐環(huán)徑向位移云圖

4 結(jié)論

（1）在預(yù)緊載荷作用下，該雙錐環(huán)在一定范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)良好的密封。

（2）在其他條件不變的情況下，徑向壓縮位移隨著雙錐環(huán)厚度的增加而逐漸減小，隨著雙錐環(huán)錐角的增大而逐漸增大。

（3）在特殊工況下，可以在一定范圍內(nèi)改變標(biāo)準(zhǔn)雙錐環(huán)的厚度和錐角來適應(yīng)該特殊工況。

[1]余偉煒，高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：水利水電出版社，2007.

[2]宗磊.雙錐環(huán)密封系統(tǒng)的應(yīng)用研究 [D].天津：天津大學(xué)，2014.

[3]高永建.大型高壓容器雙錐密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[4]黃偉波，謝禹鈞.加氫反應(yīng)塔非標(biāo)準(zhǔn)雙錐密封性能的有限元分析 [J].潤滑與密封，2016，41（6）：102-105，124.

Finite Element Analysis and Optimization of Duplex Conical Rings under Pre-tightening Condition

He JiashengHuang RuifengWu Wei

A finite element model of duplex conical rings structure on a hydrogenation reactor was established.The influence of the thickness and conical angle of the duplex conical rings structure on its radial contraction was analyzed when a certain pre-tightening distribution pressure was applied to the duplex conical plane in the pre-tightening condition.The results showed that the duplex conical rings can achieve a good seal in the pretightening condition,and its radial shrinkage displacement decreased with the increase of thickness,and increased with the increase of the conical angle.

Duplex conical rings;Conical angle;Sealing performance;Finite element;Radial displacement;Pre-tightening condition

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.002

2016-11-09）

*何家勝，男，1958年生，教授。武漢市，430200。