陳美琴

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364000）

1 研究目的

我國(guó)工業(yè)快速發(fā)展給國(guó)家?guī)?lái)了發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了降低因工業(yè)發(fā)展而造成的環(huán)境污染問(wèn)題，除塵設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，圓筒形金屬濾袋在除塵設(shè)備中作用越來(lái)越明顯[1]。而長(zhǎng)金屬濾袋因耐高溫，耐腐蝕，重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭等行業(yè)中。長(zhǎng)金屬濾袋的對(duì)接結(jié)構(gòu)目前多采用法蘭盤(pán)連接和螺栓連接，但法蘭盤(pán)連接存在安裝時(shí)螺栓數(shù)量多，工作效率低的缺點(diǎn)，螺栓連接方式容易造成上下兩節(jié)金屬濾袋同軸度難保證。

卡箍也經(jīng)常被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、汽車等輸送流體介質(zhì)的設(shè)備中。而且卡箍連接占用的空間也比較小，據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于一定的外徑的管道，同樣使用法蘭和卡箍連接管道，溝槽式卡箍安裝所需的空間大約為法蘭連接的70%[1]。從1998 年，卡箍連接方式開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，管道連接常用的法蘭盤(pán)連接和螺栓連接方式已經(jīng)逐漸被取代了。不但技術(shù)上更顯成熟，市場(chǎng)也普遍認(rèn)可，而且得到了國(guó)家法規(guī)政策的積極引導(dǎo)?？ü窟B接技術(shù)的應(yīng)用，使復(fù)雜的管道連接工序變得簡(jiǎn)單、快捷、方便，使管道連接技術(shù)向前邁了一大步[2]。溝槽式卡鏈連接在消防管道系統(tǒng)中應(yīng)用較多，直徑最大到200mm，工作壓力最大到2.5MPa[3]?？ü渴且环N緊箍對(duì)接快接頭的連接裝置，一般帶有墊片用于連接帶溝槽的管路，其密封性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便。本文針對(duì)在除塵設(shè)備長(zhǎng)金屬濾袋對(duì)接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，做出分析及設(shè)計(jì)。

2 卡箍的設(shè)計(jì)思路

卡箍按結(jié)構(gòu)形狀可分為：用鋼絲環(huán)繞成環(huán)狀的卡箍以及鍛造成形的卡箍[4]。其主要材料:碳素彈簧鋼絲，不銹鋼彈簧線，磷銅彈簧絲等。本文結(jié)合除塵設(shè)備金屬濾袋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)使用于金屬濾袋對(duì)接的鍛造成型的卡箍進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

由于某除塵設(shè)備中的長(zhǎng)金屬濾袋要求為8 米長(zhǎng)，因此分為上、中、下三段運(yùn)輸，到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接安裝。為了降低工人的安裝強(qiáng)度以及工作效率，同時(shí)考慮到設(shè)備維護(hù)的便利性，急需一種新的連接結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。金屬濾袋的工作環(huán)境為高溫?zé)煔猓?00℃），材質(zhì)采用304 不銹鋼，要求氣密性強(qiáng)且安裝方便，效率高。針對(duì)現(xiàn)有的對(duì)接結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，提出一種新型的對(duì)接方式——溝槽式卡箍對(duì)接裝置，在方便保證同軸度的同時(shí)，減小螺栓的數(shù)量，大大提高了工作效率。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬濾袋目前常用的連接方式是法蘭盤(pán)連接（如圖1 所示）和螺紋連接（如圖2 所示），其特性為同軸度難保證，螺栓數(shù)量大，現(xiàn)采用溝槽式卡箍連接，其密封性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（如圖3 所示），安裝方便，性能良好。

圖2 金屬濾袋螺紋對(duì)接結(jié)構(gòu)

圖3 溝槽卡箍結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)在對(duì)接金屬濾袋結(jié)構(gòu)時(shí)，把溝槽卡箍卡在上下兩端金屬濾袋的接頭處，并在金屬濾袋兩個(gè)接頭處做成喇叭狀管道，并在管道上設(shè)置環(huán)形槽，用于連接溝槽卡箍（如圖4 所示），從而保證管道在軸向拉力的作用下不被拉開(kāi)的同時(shí)還能保證管道連接處的氣密性?？ü恐恍枰o一根螺栓，與法蘭盤(pán)相比緊固簡(jiǎn)單、方便可靠。上下兩對(duì)接結(jié)構(gòu)間隙密封靠被壓緊的橡膠圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 金屬濾袋法蘭對(duì)接結(jié)構(gòu)

圖4 溝槽卡箍連接圖

密封圈采用C 型結(jié)構(gòu)，利用密封圈自身的壓力緊緊壓在卡箍?jī)?nèi)側(cè)，從而保證金屬濾袋對(duì)接結(jié)構(gòu)的氣密性。將橡膠密封圈的尺寸設(shè)計(jì)略大于對(duì)接管道外側(cè)和卡箍?jī)?nèi)側(cè)形成的內(nèi)腔，當(dāng)卡箍的螺栓擰緊后，將進(jìn)一步擠壓橡膠圈，從而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)接結(jié)構(gòu)的氣密性。

2.2 卡箍材料

卡箍采用304 不銹鋼，為06Cr19Ni10，密度為7.93 g/cm3，耐高溫，適合用于800℃工作環(huán)境，而且具有較高的韌性和良好的加工性能的特點(diǎn)[5]。

C 型密封圈采用耐高材料，適用于400℃的高溫工作環(huán)境。

2.3 卡箍結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

金屬濾袋的直徑D=160mm，因此卡箍最大外徑不能超出160mm，則卡箍的螺栓連接處直徑可取為155mm，卡箍最大外徑尺寸為135mm，除塵設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的煙氣壓力0.1MP，振打抖灰時(shí)0.35MP，則軸向力計(jì)算為[5]：

Q 為煙氣的軸向力；D 為金屬濾袋的直徑；Pg煙氣壓力取較大值0.35MP，G 為濾袋重量，包括籠骨及濾袋兩部分重量，第一節(jié)金屬濾袋與第二節(jié)金屬濾袋的對(duì)接結(jié)構(gòu)承受第二節(jié)和第三節(jié)金屬濾袋的重量，以此取兩節(jié)金屬濾袋的重量60N

上式中B 為卡箍溝槽與對(duì)接環(huán)的對(duì)接環(huán)形面積，溝槽寬度取2mm，對(duì)接環(huán)外徑取120mm，304 不銹鋼的許用應(yīng)力[6][δ]=137MP，E≤[δ] 則卡箍尺寸設(shè)計(jì)安全。

根據(jù)溝槽的寬度不同值，計(jì)算得出如表1。

表1 溝槽參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)接管的為了與溝槽卡箍連接，設(shè)計(jì)了溝槽，則在溝槽處對(duì)接處的管壁會(huì)變薄，則需對(duì)此處的應(yīng)力進(jìn)行分析。管道槽深一般在1.6-2.7mm。

上式中P 管道承受的壓力，C 管道壁厚的附加量，D管道外徑，δ 減薄后壁厚率，[ε]材料的許用應(yīng)力。

除塵設(shè)備工作時(shí)，最大工作壓力為0.35MPa，對(duì)比以上數(shù)據(jù)，可知該尺寸是符合要求的。

密封圈尺寸取略大于正常尺寸，金屬濾袋對(duì)接結(jié)構(gòu)外徑為122mm。

2.4 卡箍緊固件尺寸分析

金屬濾袋的對(duì)接不僅要求安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，因此選擇卡箍的固定方式采用螺栓螺。螺栓螺母的連接不僅對(duì)工人的操作能力要求較低而且應(yīng)用廣泛。一個(gè)卡箍連接件僅需要兩個(gè)螺栓連接，跟金屬濾袋目前的對(duì)接方式——法蘭盤(pán)相比較，在數(shù)量上大大減少了，從而也降低了工人的工作量和經(jīng)濟(jì)成本。溝槽式卡箍螺栓主要受到拉力，屬于受拉連接，因此分析螺栓受拉情況下的強(qiáng)度和預(yù)緊力。

在連接金屬濾袋結(jié)構(gòu)時(shí)，卡箍受到金屬濾袋對(duì)它的徑向力和軸向力，而影響卡箍緊固件螺栓的軸向力則是卡箍受到的徑向力，則螺栓總拉力為F'=F0+F,則螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算為：

F’螺栓受到的總拉力；

d1螺栓的最小直徑；

[σ]螺栓的許用應(yīng)力。

在分析螺栓軸向力時(shí)，將卡箍的徑向力模型進(jìn)行簡(jiǎn)化成矩形受力面，又因金屬濾袋在振打時(shí)的壓力值最大為3.5MP，則卡箍受到的徑向力為：F=A×p=120×20×3.5=8400N 一個(gè)卡箍上有兩個(gè)螺栓，因此每個(gè)螺栓受到的拉力為總拉力的一半，則F’=8400/2=4200N，查表，根據(jù)螺栓材料[6]σs=314MPa，并查得s=4～3，取s=3，許用應(yīng)力[σ]=315/3=105MPa

查螺栓標(biāo)準(zhǔn)，選用M12 的螺栓。

3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理性分析

該卡箍結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：除塵設(shè)備工作時(shí)，高溫高壓的煙氣流經(jīng)金屬濾袋時(shí)所產(chǎn)生的軸向力加壓在卡箍上，而產(chǎn)生的徑向力則加載在螺栓上，而徑向力遠(yuǎn)小于軸向力。當(dāng)采用法蘭盤(pán)來(lái)對(duì)接長(zhǎng)金屬濾袋時(shí)，高溫高壓煙氣所產(chǎn)生的軸向力全部加載在螺栓上。因此卡箍結(jié)構(gòu)的受力強(qiáng)度比法蘭盤(pán)的受力強(qiáng)度高。

氣密性強(qiáng)：密封圈采用C 型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三重保證（如圖5 所示）。第一重：密封圈本身的密封作用；第二重：鎖緊卡箍后，卡箍壓緊C 型橡膠密封圈，進(jìn)一步加強(qiáng)了氣密性；第三重：除塵設(shè)備工作時(shí)，流經(jīng)的煙氣進(jìn)入C 型內(nèi)腔，其加壓在C 型橡膠密封圈的密封唇上，使密封圈緊緊壓在對(duì)接件的管壁上，從而形成了自密封。其泄露率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于螺紋連接。

圖5 密封圈加壓示意圖

安裝簡(jiǎn)便、快速。當(dāng)金屬濾袋采用法蘭盤(pán)連接時(shí)，螺栓數(shù)量多，大大增加了工作負(fù)擔(dān)；如果采用焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，在現(xiàn)成安裝不僅不方便，而且增加風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)拆裝時(shí)必須破壞原有的焊接結(jié)構(gòu)，無(wú)法重復(fù)利用?？ü拷Y(jié)構(gòu)只需要擰緊一個(gè)螺栓，大大減輕了工作量，而且在拆裝維修時(shí)無(wú)需破壞原有的結(jié)構(gòu)，不僅安裝簡(jiǎn)單快速，而且可重復(fù)利用，便于維修。

4 結(jié)論

本文針對(duì)已有的長(zhǎng)金屬濾袋對(duì)接的不足，提出了新的設(shè)計(jì)方法思路，通過(guò)溝槽式的卡箍結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下兩節(jié)金屬濾袋的對(duì)接，利用C 型密封圈的工作特性，保證了金屬濾袋的氣密性的需求，保證了金屬濾袋在工作過(guò)程中不漏灰的需求，以此同時(shí)大大降低了金屬濾袋對(duì)接的工作量。希望該設(shè)計(jì)思路對(duì)除塵環(huán)保設(shè)備中的金屬濾袋設(shè)計(jì)者提供一定的參考價(jià)值。