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        超高壓管接頭密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

        2020-06-08 05:58:48梅加化黃祿豐劉李兵
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)

        梅加化,何 平,黃祿豐,劉李兵

        (1.中船動力研究院有限公司研究開發(fā)部,上海200120;2.安徽建筑大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院,安徽合肥230601;3.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司領(lǐng)克品牌研究院,浙江寧波315336)

        超高壓的機械產(chǎn)品在實際中應(yīng)用較少,但也是十分重要的部分。高于100 MPa的液壓缸,特別是柴油機的燃油系統(tǒng),軌壓甚至可以高達(dá)250 MPa以上[1],如柱塞泵和高壓油管。對于液壓缸與柱塞泵屬于超高壓的動態(tài)密封,采用小間隙配合和帶擋圈的O型圈進(jìn)行密封[2],并且允許有較小的泄露量。對于靜態(tài)超高壓液體管路接頭的密封,一般采用球面-錐面結(jié)構(gòu),根據(jù)實際管路結(jié)構(gòu)布置要求和以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)基本可以設(shè)計出管接頭的結(jié)構(gòu)圖紙。但是如何確定合適的安裝預(yù)緊力、不同管路壓力和密封結(jié)構(gòu)需要多大預(yù)緊力等等,目前國內(nèi)外在這方面的研究很少。

        文獻(xiàn)[3]研究了球面-錐面結(jié)構(gòu)的低壓密封,由于低壓密封結(jié)構(gòu)預(yù)緊力一般都由操作人員根據(jù)經(jīng)驗擰緊,扭矩大小沒有明確要求,對球面-錐面密封結(jié)構(gòu)也都是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計。文獻(xiàn)雖然研究了較大擰緊力矩增強了密封效果,但是沒有進(jìn)一步量化預(yù)緊力多少合適、不同結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力趨勢等。文獻(xiàn)[4]對球面-錐面密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性分析與實驗驗證,研究發(fā)現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)有一定的塑性變形,并隨著安裝力矩增大,接觸面壓力越大,密封性能越好,但是,同樣沒有量化預(yù)緊力的大小,不能直接應(yīng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計。本文以ACD320DF雙燃料發(fā)動機[5]高壓油管的設(shè)計為例,研究靜態(tài)超高壓液體管路接頭球面-錐面的密封結(jié)構(gòu)特征,找出設(shè)計分析與預(yù)緊力計算的直觀判定方法,為超高壓球面-錐面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo),以便直接應(yīng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計。

        1 球面-錐面密封管接頭的設(shè)計

        超高壓球面-錐面液體密封管接頭的設(shè)計主要包括管接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝扭矩兩個內(nèi)容。管接頭的結(jié)構(gòu)是根據(jù)密封管路的結(jié)構(gòu)特點與布置要求進(jìn)行設(shè)計,數(shù)據(jù)參考較多[3-4],并且自由度較高,如圖1為一種典型的球面-錐面密封管接頭結(jié)構(gòu),包括密封管、卡套、中間接頭、固定座和螺栓等。安裝扭矩與管路密封壓力、具體結(jié)構(gòu)息息相關(guān),后續(xù)將以ACD320DF雙燃料機高壓油管接頭為例,進(jìn)行詳細(xì)研究。

        ACD320DF雙燃料發(fā)動機高壓油管接頭結(jié)構(gòu)如圖2所示,油管設(shè)計壓力為190 MPa,右油管通過螺紋與卡套連接,固定接頭左邊與左油管螺紋連接,擰緊時與卡套錐面拉緊,結(jié)構(gòu)十分簡單緊湊。右油管球面位置采用了一段30°錐面過渡,有利于卡套插入油管,卡套與右油管螺紋為左旋螺紋,與外側(cè)螺紋相反,以至于緊固過程中卡套不會變松。高壓油管的材料均采用42CrMo合金鋼,其機械性能參數(shù)見表1。

        圖1 一種球面-錐面密封管接頭結(jié)構(gòu)

        圖2 ACD320DF雙燃料機高壓油管接頭

        表1 42CrMo材料機械性能參數(shù)

        2 錐面-球面密封結(jié)構(gòu)計算分析

        2.1 有限元模型的驗證

        為了準(zhǔn)確計算高壓油管密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變情況,需要對有限元仿真模型的單元、網(wǎng)格密度、邊界條件等進(jìn)行多次試計算,以找出合適的方案。本文基于ABAQUS軟件[6]建立了高壓油管錐面-球面結(jié)構(gòu)的有限元模型,進(jìn)行線彈性接觸分析。表2為不同網(wǎng)格密度、單元下的應(yīng)力值。

        表2 不同有限元模型的計算

        從表中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著網(wǎng)格密度的增加,其應(yīng)力結(jié)果趨于穩(wěn)定,特別是球面-錐面接觸部分,網(wǎng)格密度一定要足夠小,才能使計算結(jié)果精確;從后續(xù)3種計算結(jié)果中,也可以看出接觸部位的應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的屈服極限,產(chǎn)生了一定的塑性變形,必須要進(jìn)行彈塑性分析才能與實際相符;C3D10M二階四面體單元,雖然計算精度很高,但是相對網(wǎng)格數(shù)量很多,計算時間很長。因此,基于計算精度和效率,選取C3D8六面體單元進(jìn)行彈塑性接觸分析,有限元模型如圖3所示。

        圖3 高壓油管接頭有限元模型網(wǎng)格圖

        2.2 結(jié)構(gòu)對比分析方案

        管接頭接觸壓力是通過扭矩預(yù)緊螺栓產(chǎn)生,螺栓預(yù)緊力與扭矩的轉(zhuǎn)換關(guān)系,一般都是通過VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)[7]計算得出,但是其計算關(guān)系較為復(fù)雜,也不是本文研究的重點。因此,本文選取螺栓預(yù)緊力的簡化公式計算[8]:

        其中,F(xiàn)preload表示螺栓預(yù)緊拉力,T表示螺栓的扭矩,d表示螺栓公稱直徑。與VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)計算值進(jìn)行比較,誤差在3%以內(nèi)。

        將球面-錐面密封結(jié)構(gòu)簡化為扇形區(qū)域的兩個參數(shù)A、B,有利于比較結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)力與密封性能的影響,如圖4所示,其中A為球面與錐面接觸線的直徑,B為在扇形半徑上的管壁厚度。結(jié)構(gòu)的對比分析方案將根據(jù)不同的螺栓預(yù)緊扭矩,不同管子外徑以及不同的A B參數(shù)值進(jìn)行詳細(xì)計算分析。

        2.3 不同方案的對比分析

        2.3.1 高壓油管預(yù)緊力的確定

        根據(jù)高壓油管的設(shè)計結(jié)構(gòu),為了確定合適的預(yù)緊力扭矩,將針對螺栓扭矩55、65、75、85 Nm等4種工況進(jìn)行計算分析,85 Nm預(yù)緊力下的應(yīng)力云圖如圖5所示。

        圖4 高壓油管接頭有限元模型

        圖5 85 Nm預(yù)緊力下的應(yīng)力云圖

        從圖中可以看出,球面-錐面密封部位已經(jīng)出現(xiàn)了一定的塑性變形,應(yīng)力高達(dá)1 075 MPa,管內(nèi)部壁面應(yīng)力也已經(jīng)達(dá)965 MPa,高于屈服強度,說明85 Nm預(yù)緊力過大,使結(jié)構(gòu)整體發(fā)生塑性變形。整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖形狀呈現(xiàn)蛙式分布,兩腳位置(即球面-錐面密封接觸部位)應(yīng)力最大,產(chǎn)生塑性變形有利于密封性能,蛙肚部位應(yīng)力應(yīng)該小于屈服強度,從而增加球頭結(jié)構(gòu)的剛性,提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

        55 Nm、65 Nm等各個預(yù)緊力工況下的計算結(jié)構(gòu)如表3所示。最大等效塑性應(yīng)變均小于1%,考慮到結(jié)構(gòu)的可靠性,管內(nèi)壁應(yīng)力最好是較小,以保證前端有足夠的剛度。因此,最終高壓油管設(shè)計的預(yù)緊扭矩確定為65 Nm,后續(xù)將會進(jìn)行試驗驗證。

        表3 不同預(yù)緊力的計算結(jié)果

        2.3.2 不同管外徑的球面-錐面結(jié)構(gòu)分析

        根據(jù)確定的高壓油管結(jié)構(gòu)形式(即相同的A、B參數(shù)值)和預(yù)緊力,針對不同管外徑進(jìn)行仿真分析,如表4所示。錐面管外徑從27 mm減小到22 mm對整個結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變基本沒有影響,這表明錐面的結(jié)構(gòu)剛度本身就較大;當(dāng)球面管子外徑從15 mm減小到13 mm時,球面應(yīng)力增大,等效塑性應(yīng)變也增加較明顯。

        表4 不同管外徑的計算結(jié)果

        2.3.3 不同A、B結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析

        保持高壓油管的外徑和內(nèi)徑尺寸,去掉30°錐面導(dǎo)向結(jié)構(gòu),改變A、B兩個參數(shù),其有限元分析結(jié)果如圖6所示,密封結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力都小于屈服強度,未發(fā)生任何塑性應(yīng)變,說明這2個參數(shù)對球面-錐面密封結(jié)構(gòu)的影響較大。

        圖6 不同A、B參數(shù)的應(yīng)力云圖

        方案1為高壓油管結(jié)構(gòu),方案2為圖6中的模型,方案3、4和5是在方案2的基礎(chǔ)上,改變A、B兩個參數(shù)值,保持所有方案的邊界條件和受力工況不變,其應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如表5所示。

        表5 不同AB參數(shù)的計算結(jié)果

        當(dāng)方案2中A、B參數(shù)同時增大時,結(jié)構(gòu)強度會有很大的提升;當(dāng)保持A不變,減小B參數(shù)時,結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力增大,特別是球面-錐面接觸部位等效應(yīng)力較方案1更大,但是塑性應(yīng)變較小;當(dāng)保持B參數(shù)不變,A參數(shù)減小時,雖然接觸部位的塑性應(yīng)變較小,但是應(yīng)力幅值很大,甚至超過了抗拉強度,出現(xiàn)了局部點蝕。

        因此優(yōu)化設(shè)計球面-錐面的結(jié)構(gòu)尺寸,合理地選取A、B參數(shù)對結(jié)果好壞十分重要。

        3 設(shè)計驗證與結(jié)果分析

        3.1 設(shè)計驗證

        首先根據(jù)已有成熟機型的某種高壓油管結(jié)構(gòu),進(jìn)行計算分析,其結(jié)果如圖7所示,接觸部位最大等效應(yīng)力為1 104 MPa,但是塑性應(yīng)變?yōu)?.11%,管壁內(nèi)應(yīng)力只有388 MPa。再選取另外幾種成熟機型的高壓油管進(jìn)行仿真分析,發(fā)現(xiàn)接觸部位也出現(xiàn)了塑性變形,管內(nèi)壁應(yīng)力則相對較小。這些都說明接觸部位有一定的塑性變形,對密封十分有利,而管內(nèi)壁應(yīng)力則盡可能小于材料屈服強度;ACD320DF雙燃料機高壓油管的設(shè)計與此相符。

        圖7 某成熟機型高壓油管的分析結(jié)果

        根據(jù)ACD320DF機高壓油管的設(shè)計方案進(jìn)行預(yù)緊力試驗,其結(jié)果如表6所示。所有方案下均沒有出現(xiàn)泄漏情況,但是當(dāng)預(yù)緊力為75 Nm時,3次反復(fù)試驗后,球面有可見的劃痕,再次安裝后試驗也不泄漏。因此,ACD320DF雙燃料機高壓油管最終選擇65 Nm預(yù)緊力。

        表6 不同預(yù)緊力的影響試驗

        3.2 結(jié)果分析

        3.2.1 球面-錐面結(jié)構(gòu)的影響

        根據(jù)對球面-錐面不同結(jié)構(gòu)的仿真分析結(jié)果,可以得出:

        (1)當(dāng)球面管子外徑增加時,球面-錐面接觸部位的應(yīng)力與應(yīng)變均降低;而錐面管子外徑減少時,幾乎沒有多少變化。

        (2)密封結(jié)構(gòu)隨著A參數(shù)的增大,即接觸部位的直徑越大,接觸面積越大,球面-錐面接觸部位應(yīng)力急劇下降,能承受更大的預(yù)緊力。當(dāng)B參數(shù)增大時,即管厚度增加時,前端剛度變大,包括管內(nèi)壁和球面等整個結(jié)構(gòu)應(yīng)力都會明顯減小。

        (3)從ACD320DF雙燃料機高壓油管和幾種成熟發(fā)動機的高壓油管計算結(jié)果來看,當(dāng)球面-錐面接觸部位達(dá)到一定的塑性變形,而管內(nèi)壁應(yīng)力小于屈服強度,才能使密封可靠,這也是我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方向。

        3.2.2 球面-錐面結(jié)構(gòu)有限元分析的判定準(zhǔn)則

        只有合理的球面-錐面結(jié)構(gòu)與合適的預(yù)緊力相配合,才能使密封性能和可靠性達(dá)到最佳。而預(yù)緊力的選取,一方面需要滿足密封要求,并且可靠性高。另一方面要大小合理,針對不同結(jié)構(gòu)、不同密封壓力場合有不同的合適值。因此,需要借助于有限元分析來優(yōu)化設(shè)計以得到一個合理的結(jié)構(gòu)與合適的預(yù)緊力,而判定準(zhǔn)則是進(jìn)行有限元分析成敗的關(guān)鍵,正確合理的判定準(zhǔn)則才能使仿真分析變得有意義。針對以上密封結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果,提出一個通用的判定準(zhǔn)則:

        其中,σΔ是在螺栓預(yù)緊力減去管道壓力后計算的密封部位應(yīng)力,σS為材料屈服強度,σr為僅有螺栓預(yù)緊力作用下的管道內(nèi)壁應(yīng)力,F(xiàn)preload為螺栓預(yù)緊力,F(xiàn)pressure為管道壓力產(chǎn)生的推力,P為管道內(nèi)液體壓力,A為球面-錐面接觸線的直徑,r為球面管內(nèi)徑。

        只有在螺栓預(yù)緊力減去管道液體壓力后,計算得到的密封接觸部位應(yīng)力大于材料屈服強度,并且僅在螺栓預(yù)緊力作用下,管道內(nèi)壁應(yīng)力小于材料屈服強度,才能保證該球面-錐面結(jié)構(gòu)在給定的螺栓預(yù)緊力作用下密封可靠。將本文設(shè)計的高壓油管和幾種成熟機型的高壓油管按照上述預(yù)緊力的判定準(zhǔn)則,進(jìn)行驗證,材料均為42CrMo,計算結(jié)果如表7所示。從表7可見,均能滿足判定準(zhǔn)則的要求。

        表7 幾種高壓油管預(yù)緊力

        4 結(jié) 論

        綜上所述,管外徑、密封結(jié)構(gòu)扇形區(qū)域A、B參數(shù)對結(jié)構(gòu)密封性能有較大的影響,特別是A、B參數(shù)對密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變影響最大。因此,進(jìn)行超高壓球面-錐面結(jié)構(gòu)建模時,可以根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模,更容易找出合理的設(shè)計。甚至可以通過比較這些參數(shù),不進(jìn)行有限元計算,就可以得到較為合適的結(jié)構(gòu)和預(yù)緊力。計算的結(jié)果表明,球面-錐面密封接觸部位產(chǎn)生一定的塑性變形,反而使得密封更加可靠。與應(yīng)力不能超過屈服強度的傳統(tǒng)設(shè)計理論形成鮮明對比,說明設(shè)計理論因情況而異,合適的塑性變形不僅提高了材料利用率,同樣可以十分可靠。此外,本文基于超高壓球面-錐面密封結(jié)構(gòu)的有限元分析,提出了一個計算結(jié)果的判定準(zhǔn)則,并通過多個成熟的案例驗證了準(zhǔn)則的正確性。

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