一種楔形自緊式承壓電纜法蘭

梁小冬，孫野

?

一種楔形自緊式承壓電纜法蘭

梁小冬，孫野

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

在某爆炸實驗中，爆室與室外的穿線管法蘭盤承受管道內(nèi)部最高16 MPa的瞬時壓強，為確保內(nèi)部電纜在爆炸過程中有很好的抗沖擊效果，設計了一種自緊式法蘭。先對該自緊式法蘭進行結(jié)構(gòu)設計，并對內(nèi)部楔形塊與電纜進行理論受力分析與有限元仿真分析，同時對選用8.8級連接螺栓進行強度校核，最后利用拉力計對該自緊式法蘭進行拉力實驗，并對理論計算值、仿真值和實驗值進行分析。在實際應用中，該穿線管法蘭滿足了耐壓強度要求，達到了預期的抗壓效果。

自緊式法蘭；承壓電纜；連接螺栓

某過墻管道穿線管法蘭盤要求能夠承受管道內(nèi)氣體最高16 MPa的瞬時壓力，并且要求電纜不被瞬時高壓沖出，為此，本文設計了一種楔形自緊式的法蘭結(jié)構(gòu)。

1 穿線管法蘭結(jié)構(gòu)設計

如圖1所示，其中楔形塊為聚氯乙烯材質(zhì)。利用緊固頭2與法蘭盤外側(cè)穿線管間的螺紋連接實現(xiàn)緊固頭1、楔形塊軸向相對位移并壓緊楔形塊，獲得法蘭盤外側(cè)穿線管與楔形塊的過盈結(jié)合，因聚氯乙烯材質(zhì)有較好的延展性，從而擠壓固定電纜，避免電纜不被瞬時高壓沖出。

2 理論計算

由圖1（a）可知，該穿線管法蘭主要依靠楔形塊擠壓施加的摩擦力抵抗管道內(nèi)的壓力，因此對楔形塊的力學分析十分必要。

圖1 穿線管結(jié)構(gòu)及實體示意圖

2.1 受力分析

楔塊整體及局部受力分析如圖2所示。

F為螺紋預緊力，kN；α、β為上下斜面傾角，°；f為電纜受到的摩擦力，kN；f0為緊固頭1斜面受到的摩擦力，kN；f1為楔塊下斜面受到的摩擦力，kN；F1為電纜對楔塊的支持力，kN；FN0為緊固頭1斜面受到的支持力，kN；FN1為楔塊下斜面受到的支持力，kN

假設楔塊與緊固頭1及穿線管斜面之間的摩擦系數(shù)為1，楔塊與電纜之間的摩擦系數(shù)為0，則：

0＝1F0

1＝1F1

＝01

由于、F1和1在豎直方向上的自平衡,根據(jù)圖2（a）中方向的平衡可得：

＝F1sin＋1cos

解得：

根據(jù)圖2（b）中方向上平衡可得：

F0cos＝0sin

解得：

tan＝1/1

根據(jù)圖2（a）中方向上平衡可得：

1＋1sin＝N1cos

解得：

式中：為扭緊力矩，N·m；為扭矩系數(shù)，取0.2；為螺栓大徑，mm。

則電纜所能承受的最大拉力即楔塊與電纜之間的摩擦力為：

2.2 數(shù)值模擬分析

由于緊固時電纜主要受楔形塊長錐面的壓力，為減少ANSYS WorkBench仿真計算量，便于仿真分析，對楔形塊進行簡化，去除楔形塊長錐面以外的部分，簡化模型如圖3所示。

圖3 模型簡化圖

由于電纜承壓面為外側(cè)橡膠，仿真時，在工程材料庫中勾選PVC和Rubber兩種材料，并將其分別添加到楔塊和電纜。施加固定約束于楔塊末端；外加作用力作用于垂直錐面的壓強，大小為20 MPa。為獲得楔塊與電纜間的接觸壓力，選擇接觸工具，在楔塊與電纜間添加接觸壓力。生成網(wǎng)格如圖4所示，楔塊對電纜的壓力分布如圖5所示。

圖4 模型網(wǎng)格圖

圖5 電纜承壓分布圖

從圖5可以看出，當在楔形面施加壓強后，由于變形會對電纜線產(chǎn)生壓緊力，其壓強最大為56.4 MPa，為保證正確計算接觸面壓緊力大小、反映壓強強度，選擇幅值平均值、均方根值對接觸面壓強進行數(shù)據(jù)處理，將其平均化。

幅值平均值為：

均方根值為：

導出ANSYS WorkBench壓強分布數(shù)據(jù)，按式（1）、式（2）對接觸面壓強進行分析，其中幅值平均值所得結(jié)果為23 MPa，均方根值結(jié)果為26.5 MPa，根據(jù)保守計算，選擇接觸面的壓強為23 MPa。

2.3 螺栓強度校核[1]

為確保承受住16 MPa瞬時壓力，管道法蘭與法蘭盤間采用8.8級M18螺栓、螺母連接，根據(jù)《機械設計手冊》（第2卷），則屈服強度σ＝640 MPa，許用應力[]＝σ/S＝320 MPa，取安全系數(shù)S＝2。

螺栓組載荷為：

式中：為管道直徑，mm，＝80；為瞬時壓力，MPa，＝16。

每個螺栓軸向載荷為：

式中：為螺栓數(shù)，＝6。

螺栓所受總載荷為：

式中：F'為殘余預緊力，kN；為受軸向力緊螺栓所須殘余預緊力系數(shù)，取＝1.6。

則受軸向載荷緊螺栓連接，應力為：

式中：1為螺紋小徑，mm，1＝15.294。

經(jīng)計算，＝247 MPa＜[]，滿足螺栓強度要求，能夠達到安全使用的目的。

2.4 拉力實驗

為驗證該穿線法蘭結(jié)構(gòu)的自緊性能，采用拉力計對其進行拉力測試。利用扭力扳手給緊固頭2施加150 N·m的擰緊力矩，并豎直固定好法蘭，外側(cè)電纜穿過拉力計夾具，末端用鎖孔夾緊固定，防止滑脫，按動手柄給電纜施加拉力，實驗如圖6所示。

圖6 拉力測試實驗圖

實驗測得電纜被拉動的最大拉力為2.7 kN，理論計算值5.9 kN，仿真計算值6.3 kN。實驗過程中，電纜受到較大拉力，變細，導致楔形塊與電纜接觸縮小、摩擦力減小，理論計算與仿真未考慮變形，所以實驗值相比理論計算和仿真值偏小。此外，實際作業(yè)環(huán)境中管路最大壓強16 MPa，作用于電纜橫截面，經(jīng)計算產(chǎn)生的最大推力為1.26 kN，遠小于實驗值，經(jīng)過操作該自緊式穿線法蘭，能夠滿足實際作業(yè)要求。

3 結(jié)論

針對某穿線管法蘭盤要求能夠承受管道內(nèi)最高16 MPa的瞬時壓力且內(nèi)部電纜也有很好的抗沖擊效果的特殊要求，設計了一種自緊式穿線管法蘭，理論和仿真計算及實驗結(jié)果表明，該法蘭及其選用的配套螺栓能夠滿足實際強度要求。該穿線管法蘭結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，能夠重復使用，實際應用中達到了預期抗壓效果。

[1]機械設計手冊編委會. 機械設計手冊（第2卷）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]王香麗，馮曉，等. 一種承壓電纜轉(zhuǎn)接法蘭盤的密封結(jié)構(gòu)[J].機械設計，2016，33（7）：46-48.

[3]胡玉琴，陶秋帆，鄧宗白. 楔形鎖緊裝置的力學性能分析[J].水利電力機械，2016，29（12）：203-206.

[4]趙殿華，趙澤超，李蘭英. 楔形鎖緊裝置的設計[J]. 工程機械，2008（39）：41-45.

[5]孫其朋，王波，聶廣擴，鄧偉. 鋼絲繩楔形連接器快速拆檢液壓裝置的設計與實現(xiàn)[J]. 機床與液壓，2015，43（8）：116-117.

[6]許京荊. ANSYS WorkBench工程實例詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2016.

[7]高耀東，李強，張玉寶，關(guān)弘. ANSYS機械工程應用精華60例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

A Wedge Self-tightening Flange for Pressing Cable

LIANG Xiaodong，SUN Ye

( Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi'an 710024,China)

In an explosion experiment, a threading flange requires to bear the pressure up to 16 MPa between the burst chamber and the outdoor. In order to ensure that the cable has a good impact effect inside the pipe, then designing a self-tightening flange. In this paper, carrying out the structural design of the self-tightening flange firstly, carrying on the theoretical analysis and finite element analysis of the internal wedge and cable. At the same time, checking the strength of the 8.8 grade connecting bolts. Finally, doing the tensile test and analyzing the theoretical calculation, simulation and experimental values. In the practical application, the threading flange has satisfied the compressive strength requirements and achieved the expected compressive effect.

self-tightening flange；pressing cable；connecting bolt

TH164

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.014

1006－0316 (2018) 05－0052－04

2017－10－23

梁小冬（1988－），江蘇東臺人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為機械設計。