偏心輪式快速夾緊法蘭的設(shè)計(jì)研究

張良，張延，徐程，陸自強(qiáng)，李蘇慧，葛順鵬

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215104）

0 引言

21世紀(jì)，海洋運(yùn)輸是人類最重要的一種運(yùn)輸方式，在陸地天然氣、石油等礦產(chǎn)資源產(chǎn)量匱乏的情況下，開拓新的礦產(chǎn)資源己經(jīng)勢(shì)在必行。隨著全球?qū)δ茉葱枨罅康牟粩嘣黾蛹按斑\(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展，管道運(yùn)輸己廣泛應(yīng)用于各種碼頭。而管道連接是一項(xiàng)施工操作復(fù)雜的技術(shù)，法蘭結(jié)構(gòu)是連接相鄰管道的重要部分，目前在法蘭接頭的設(shè)計(jì)中，通常采用ASME規(guī)范，但普通螺栓連接法蘭結(jié)構(gòu)的弊端日益凸顯，因此近40多年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)法蘭的結(jié)構(gòu)的研究持續(xù)不斷。其中尤以歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（CNE）以及美國(guó)壓力研究委員（PVRC）對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法提供了可行性思路。目前由于船舶在停靠過程中時(shí)間短、管道長(zhǎng)且不便于單人操作，同時(shí)管路與船舶儲(chǔ)存器的接口處密封效果差極易引起泄漏等嚴(yán)重問題，這給船舶工作人員操作實(shí)施帶來困擾。為實(shí)現(xiàn)廢液、污水排放環(huán)節(jié)達(dá)到少泄漏甚至零泄漏、安裝效率高、裝配時(shí)間短且安全可靠，研究一種簡(jiǎn)單安全、密封性優(yōu)良的夾緊法蘭結(jié)構(gòu)，可以提高我國(guó)在管道運(yùn)輸領(lǐng)域的技術(shù)水平，降低運(yùn)輸成本[1]。夾緊法蘭的設(shè)計(jì)大大提高污水管路與船舶儲(chǔ)存器的裝拆效率，本文著重介紹新型夾緊法蘭結(jié)構(gòu)的密封性分析、螺栓連接必要的力學(xué)性能的校核。該結(jié)構(gòu)除具有方便、靈活及準(zhǔn)確可靠的定位裝置外，還能夠?qū)崿F(xiàn)迅速夾緊的功能[2]。

1 偏心輪式快速夾緊法蘭的整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用偏心輪機(jī)構(gòu)的偏心特性實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的松弛與夾緊的功能，偏心輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑動(dòng)軸移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)法蘭機(jī)構(gòu)的夾緊與松弛[3]。夾緊法蘭由上下兩半組合而成，由2個(gè)定位銷保證同軸度。螺栓組連接固定偏心手柄。當(dāng)滑動(dòng)軸插入滑動(dòng)軸孔時(shí)，扳動(dòng)偏心手柄即可實(shí)現(xiàn)快速夾緊與松弛，達(dá)到減少泄漏的目的。偏心輪式快速夾緊法蘭的整體裝配如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)圖

2 偏心輪式快速夾緊法蘭的密封性分析

螺栓法蘭連接是一種可拆卸的構(gòu)件，因此廣泛應(yīng)用于管路系統(tǒng)和承壓設(shè)備。螺栓法蘭連接的可靠性意味著法蘭連接在各種工況下具有足夠的強(qiáng)度、硬度及緊密性等力學(xué)性能。目前法蘭設(shè)計(jì)一般根據(jù)ASME推薦的方法，ASME方法的原理為核算控制法蘭應(yīng)力水平，墊片參數(shù)可以確保螺栓裝配載荷，可通過繪制緊密性參數(shù)（lg TP）對(duì)墊片應(yīng)力（lg Sg）關(guān)系曲線而獲得。緊密性Tp是對(duì)墊片試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理的參數(shù)，Tp表示緊密性的度量，Tp與內(nèi)壓成正比，與泄漏率的平方根成反比，即

式中：P為內(nèi)壓，MPa；P*為參照內(nèi)壓，0.101 MPa；L為質(zhì)量泄漏率，mg/s；L*為單位泄漏率，150 mm外徑墊片為1 mg/s。

為了達(dá)到密封墊片所需要的墊片應(yīng)力[4]，在考慮內(nèi)壓、外載荷及裝配方法后，可利用墊片參數(shù)Gb、Gs和a，確定密封墊片的裝配載荷，在本設(shè)計(jì)中初選以石棉填料的纏繞工程用法蘭墊片，其密封墊片常數(shù)Gb=23.4 MPa，a=0.3，Gs=0.048 MPa，墊片外直徑G0=150 mm，內(nèi)部介質(zhì)壓p=2.1 MPa，本設(shè)計(jì)法蘭連接的緊密性等級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，其泄漏率為0.002 mg/（s·mm），根據(jù)墊片外徑及緊密性等級(jí)可計(jì)算密封墊片的最小泄漏率為

由式（1）代入數(shù)據(jù)可計(jì)算出最小緊密性參數(shù)：

引入安全系數(shù)K=1.5，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得TPa=1.5TPmin=55.67。

計(jì)算指數(shù)Tr：

式中：TPa為預(yù)緊應(yīng)力SA所對(duì)應(yīng)的緊密性參數(shù)，MPa；TPmin為法蘭連接操作時(shí)最小緊密性參數(shù)。

利用Gb和a可以將預(yù)緊階段的墊片應(yīng)力與緊密性參數(shù)之間的定量關(guān)系寫成如下的表達(dá)式：

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，代入數(shù)據(jù)求得SA=77.51 MPa。

根據(jù)墊片設(shè)計(jì)公式得：

引入泄漏經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K1，則墊片最小應(yīng)力Sm1需滿足：

引入組裝效率系數(shù)e，提高預(yù)緊墊片Sya值，對(duì)于手工預(yù)緊的工況e通常取0.75，則

將式（8）代入公式化簡(jiǎn)得

K1值與現(xiàn)場(chǎng)泄漏情況有關(guān)，取K1=1，P為液體內(nèi)部壓力，因此計(jì)算得Sm1>2p。

由式（9）代入式（6）和式（7）化簡(jiǎn)計(jì)算得

式中：p為介質(zhì)壓力，MPa；G0為墊片外直徑，mm；e為組裝效率系數(shù)；K1為現(xiàn)場(chǎng)泄漏系數(shù)；a為指數(shù)，由試驗(yàn)確定，一般取0.3。

由式（10）和式（11）可以看出，Sm2>Sm1，故取Sm=Sm2=96.36 MPa，則密封圈墊片的最佳預(yù)緊力為

因此本設(shè)計(jì)的密封圈墊片可實(shí)現(xiàn)較為理想的密封性，符合基本管道運(yùn)輸?shù)囊螅杀ＷC法蘭連接所要求的緊密性等級(jí)，故在本設(shè)計(jì)中利用PVRC墊片常數(shù)設(shè)計(jì)法蘭。

3 螺栓組設(shè)計(jì)

螺栓是機(jī)構(gòu)連接的重要部分，螺栓組設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定螺栓數(shù)目及螺栓的布置形式，進(jìn)而確定其尺寸和結(jié)構(gòu)。在法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，上法蘭盤片與螺栓墊片采用螺栓連接，由于法蘭片是重要部分，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，除了在工藝上保證螺栓墊片平整外，結(jié)構(gòu)上也要盡量保證載荷均勻[5-6]。因此本設(shè)計(jì)中法蘭墊片與螺栓墊片連接時(shí)的螺栓連接采用對(duì)稱均布設(shè)置，螺栓布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 螺栓結(jié)構(gòu)布置圖

本設(shè)計(jì)中，若法蘭結(jié)構(gòu)水平布置，則螺栓組連類型為受傾覆力矩連接。工作時(shí)法蘭結(jié)構(gòu)螺栓組受力圖如圖3所示。

圖3 螺栓受力圖

傾覆力矩M作用在螺栓墊片水平軸上，在法蘭墊片受傾覆力矩前，螺栓組受預(yù)緊力F0，各螺栓在F0作用下有均勻壓縮[7]。當(dāng)法蘭結(jié)構(gòu)水平放置時(shí)，螺栓組連接下底面受傾覆力矩后，其可繞O-O軸線傾轉(zhuǎn)，倘若接合面仍能夠保持為平面，則軸線O-O左側(cè)螺栓被拉伸，上部螺栓被放松，底部螺栓被壓縮。受傾覆力矩的螺栓組連接的受力如圖4所示。

圖4 螺栓受力圖

法蘭結(jié)構(gòu)工作時(shí)，在總載荷Fm的作用下螺栓組受以下力及傾覆力矩的作用。

橫向力為Fm的水平分力Fm1：

軸向力為Fm的垂直分力Fm2：

傾覆力矩為

在軸向力F∑V的作用下，各螺栓所受的工作拉力為

在傾覆力矩M的作用下，上部單個(gè)螺栓受到拉伸，下部?jī)陕菟ㄊ艿綁嚎s，將上部單個(gè)螺栓所受載荷代入數(shù)據(jù)計(jì)算得

式中：z為螺栓總個(gè)數(shù)；M為傾覆力矩；Lmax為L(zhǎng)i中最大的值，mm；Li為螺栓軸線到O-O距離，mm。

故上部單個(gè)螺栓所受工作載荷為

根據(jù)接合面不產(chǎn)生滑移的條件，在橫向力Fm1的作用下，則

式中：Cb為連接件剛度系數(shù)；f為接合面防滑系數(shù)，由機(jī)械手冊(cè)查得；Ks為防滑系數(shù)，取Ks=1.2；Cm為被連接件剛度系數(shù)。

由式（18）和式（20）得每個(gè)螺栓所受的總拉力為

為防止螺栓墊片與法蘭接合面受壓最大處被壓碎、受壓最小處出現(xiàn)間隙，應(yīng)校核受載后的接合面極限壓力允許值，為防止螺栓墊片底部與法蘭接合面壓碎[8]，底部接合面的擠壓應(yīng)力應(yīng)不超過許用值；同時(shí)螺栓墊片上部與法蘭接合面應(yīng)保持殘余預(yù)緊力，防止螺栓墊片與法蘭面產(chǎn)生間隙，即σpmin＞0，則

式中：A為接合面有效面積；W為接合面有效抗彎截面系數(shù)；［σp］為接合面許用擠壓應(yīng)力；σpmin為接合面上間隙時(shí)擠壓應(yīng)力的最小值；σpmax為接合面上擠壓應(yīng)力的最大值。

由式（22）代入數(shù)據(jù)計(jì)算得σpmax=0.813 MPa，σpmin=0.33 MPa，由表1查得［σp］=0.5σB，計(jì)算得［σp］=125 MPa＞＞0.813 MPa，因此螺栓墊片底部與法蘭接合面不會(huì)被壓碎；同理代入數(shù)據(jù)化簡(jiǎn)計(jì)算得σpmin≈0.43 MPa＞0，故螺栓墊片與法蘭接合面上端受壓最小處不會(huì)產(chǎn)生間隙。

通常規(guī)定，螺栓擰緊后預(yù)緊應(yīng)力不應(yīng)超過屈服極限σs的80%。對(duì)于螺栓連接的預(yù)緊力F0，可由下式校核螺栓：

4 結(jié)語

在偏心輪式快速夾緊法蘭的設(shè)計(jì)研究中，對(duì)夾緊法蘭進(jìn)行了密封性分析，利用PVRC墊片常數(shù)設(shè)計(jì)法蘭，實(shí)現(xiàn)較為理想的密封。密封性與螺栓連接有著直接關(guān)系，故本設(shè)計(jì)中確定了螺栓數(shù)目及螺栓的布置形式，進(jìn)而確定其尺寸和結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中通過對(duì)螺栓的受力分析，對(duì)螺栓進(jìn)行必要的力學(xué)性能校核，符合預(yù)期要求。對(duì)偏心輪式快速夾緊法蘭進(jìn)行裝配，設(shè)計(jì)整體效果圖，可以實(shí)現(xiàn)快速松弛和夾緊作用，快捷方便，達(dá)到減少泄漏的目的。