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        多錐面法蘭幾何特性對法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛的影響研究

        2021-06-17 06:54:16祝明威于東林趙偉剛
        關(guān)鍵詞:特征

        祝明威,于東林*,張 彬,趙偉剛

        (1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.吉林機(jī)電工程學(xué)校,吉林 吉林 132101;3.西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

        法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛是指在法蘭螺栓預(yù)緊,法蘭正常聯(lián)接后,隨著時間的推移,法蘭連接面應(yīng)力減小的現(xiàn)象.常規(guī)法蘭聯(lián)接包括法蘭、密封墊片和聯(lián)接螺栓,稱為法蘭聯(lián)接系統(tǒng).法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛,是法蘭聯(lián)接失效的主要原因[1-2],到目前為止,業(yè)界圍繞著法蘭、墊片和聯(lián)接螺栓的法蘭系統(tǒng)展開的法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛失效研究與治理有許多,并且也對法蘭聯(lián)接系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)上的改造,如緊湊法蘭聯(lián)接,但這些研究結(jié)果在對法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛的減小和避免上并沒有達(dá)到理想的效果.本文設(shè)計(jì)了一種新型的多錐面法蘭聯(lián)接,并對聯(lián)接應(yīng)力松弛的情況做以驗(yàn)證,對影響應(yīng)力松弛的幾何特性做了實(shí)驗(yàn)和研究.該型法蘭近幾年才在國內(nèi)出現(xiàn),理論研究較少,多用于高溫、高壓、易燃、易爆等特殊環(huán)境,應(yīng)用前景廣闊[3].

        1 多錐面法蘭的結(jié)構(gòu)與特征

        1.1 多錐面法蘭的結(jié)構(gòu)形式

        多錐面法蘭是把法蘭聯(lián)接結(jié)合面改成聯(lián)接裝配面,改變原來標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤的厚度尺寸,在一對聯(lián)接法蘭的原有結(jié)合面上,分別加工出兩個環(huán)形T型槽,法蘭安裝時原來結(jié)合面就形成了裝配關(guān)系;同時,把法蘭聯(lián)接的光螺栓孔改為螺紋孔,即法蘭聯(lián)接時使用螺紋聯(lián)接.顯而易見,這種法蘭聯(lián)接不能使用墊片,靠法蘭裝配的兩道T型槽形成迷宮式密封結(jié)構(gòu),一對法蘭要形成A-B式法蘭裝配,以保證錐面形成合適裝配[4].具體法蘭結(jié)構(gòu)形式如圖1所示.

        圖1 多錐面法蘭結(jié)構(gòu)形式

        1.2 多錐面法蘭的幾何特征

        多錐面法蘭聯(lián)接對減小法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛是比較有效的,但其加工的精度要求較常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)法蘭要高[5].從幾何特征上看,一方面法蘭盤T型槽的加工要求較高,要有良好的尺寸精度、良好的形狀精度和良好的表面質(zhì)量;另一方面,法蘭盤的徑向尺寸和軸向尺寸要求比較嚴(yán)格,形體的同軸度要求也比較高.多錐面法蘭目前作為非標(biāo)準(zhǔn)件,從T型槽的角度、開槽尺寸,到法蘭盤徑向和軸向尺寸,都要以法蘭聯(lián)接的強(qiáng)度、剛度和防止應(yīng)力松弛的效果等方面來進(jìn)行研究優(yōu)化,以達(dá)到產(chǎn)品的系列化和規(guī)范化.目前,經(jīng)過理論研究和實(shí)踐驗(yàn)證,已經(jīng)對多錐面法蘭進(jìn)行了初步的系列化和規(guī)范化設(shè)計(jì)[6-7].

        2 多錐面法蘭幾何特性對應(yīng)力松弛的影響

        經(jīng)過實(shí)際使用驗(yàn)證,多錐面法蘭對減小法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛效果是比較好的.從幾何特征的角度分析,有以下3個特征:

        (1)多錐面法蘭聯(lián)接不使用墊片,這就增加了法蘭聯(lián)接系統(tǒng)的剛度,去除了法蘭聯(lián)接應(yīng)力松弛的最大影響因素;

        (2)多錐面法蘭聯(lián)接,法蘭結(jié)合面形成裝配關(guān)系,而且T型槽的裝配有利于較小聯(lián)接的應(yīng)力松弛;

        (3)多錐面法蘭聯(lián)接的連接孔是螺紋孔,這就大大降低了普通螺栓聯(lián)接的螺栓應(yīng)力松弛[8].

        常規(guī)普通法蘭螺栓聯(lián)接,應(yīng)力松弛的力學(xué)模型如圖2所示,并由此可以得到多錐面法蘭聯(lián)接的力學(xué)模型如圖3所示.

        圖2 普通法蘭聯(lián)接力學(xué)模型

        圖3 多錐面法蘭聯(lián)接力學(xué)模型

        對普通法蘭聯(lián)接,

        式中:l為表示在材料蠕變過程中桿的伸長值;εσ為彈性蠕變;σ為桿的應(yīng)力;k為剛度系數(shù).

        而且應(yīng)變量

        εl+εc=εl0,為常數(shù)[1,8-9];

        式中:εl為彈性應(yīng)變;εc為蠕變應(yīng)變;εl0為初始彈性應(yīng)變

        在法蘭使用過程中,彈性應(yīng)變逐漸減小,蠕變應(yīng)變逐漸增加,法蘭聯(lián)接緊密型越來越差[8-9].

        而對多錐面法蘭聯(lián)接,應(yīng)變量為

        εl+εc=εl0,為常數(shù),而且

        εc≤Δ×sinα

        式中:εb為螺栓應(yīng)變;εf為法蘭應(yīng)變;εl為彈性應(yīng)變

        因?yàn)橐话銇碚f螺栓和被連接法蘭的剛度比較大,而且螺紋配合的間隙值Δ比較小,所以多錐面法蘭聯(lián)接總應(yīng)變較普通法蘭聯(lián)接小得多,最大蠕變量也受到限制.

        3 幾何特征影響分析

        多錐面法蘭的幾何公差要求較高,而且?guī)缀喂钍怯绊懺摲ㄌm蠕變的主要因素.

        幾何特征影響的簡單分析方法是:對同一規(guī)格(取DN100的304鋼法蘭),既定設(shè)計(jì)精度的法蘭,因?yàn)榧庸さ膶?shí)際公差值不相等,取3對法蘭,按實(shí)際公差由小到大,分成3組[7,10-11],如表1所示.

        表1 法蘭組實(shí)際公差(單位:mm)

        3對法蘭均以320 MPa安裝緊固后,隔一定時間,測量緊固應(yīng)力變化,測量值如表2所示[12].

        表2 應(yīng)力測量值(MPa)

        由表3,可以得到法蘭應(yīng)力松弛與法蘭幾何公差的關(guān)系,如圖4所示.

        t/h圖4 法蘭組應(yīng)力狀態(tài)圖

        4 結(jié) 論

        多錐面法蘭作為非標(biāo)準(zhǔn)件,一方面又良好的抗應(yīng)力松弛性能,可以有效地減小法蘭聯(lián)接系統(tǒng)應(yīng)力松弛現(xiàn)象,一方面加工成本較高,經(jīng)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)正說明,需要對該類型法蘭的幾何參數(shù)和加工公差,給以合理的優(yōu)化,以提高法蘭聯(lián)接性能.

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