淺談導(dǎo)向管脹接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)

郭斌斌， 范晨光， 代成棟

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院， 四川成都 610031)

脹接是根據(jù)金屬具有塑性變形的特點(diǎn)，依靠連接物在連接處內(nèi)外徑的微小偏差先把小的圓管放入比圓管外徑略大的孔內(nèi)，在圓管內(nèi)用專用脹管器把圓管伸到孔里的那一部分脹大使其外壁與被連接物的內(nèi)壁緊密連接并密封的方法[1]。脹接一般應(yīng)用于各換熱器中管子與管板的連接，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便、密封優(yōu)良等特點(diǎn)。脹接連接的機(jī)理是，脹管時(shí)將脹管器插入管子，管壁在其作用下直到發(fā)生塑性變形，管徑顯著增大。此時(shí)管孔在受到不斷增大的內(nèi)管外壁擠壓下，隨內(nèi)管的外壁發(fā)生彈性變形，其中也可能存在少量的塑性變形[2]。由于管子發(fā)生的是塑性變形，而管孔仍然處在彈性變形狀態(tài)，管子擴(kuò)大后的管徑不能回復(fù)縮小成原來的狀態(tài)，而管板孔壁則會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)使自身孔徑變小(復(fù)原)，因此通過管板孔壁的彈性恢復(fù)效應(yīng)，管板與塑性變形后的管子緊緊地連接在一起。

導(dǎo)向管的內(nèi)管與外管之間同樣是采取脹接連接。管子與管子的連接也面臨管子與管板連接的問題，即接頭處的彈性變形產(chǎn)生的對(duì)管子的應(yīng)力，也就是兩管之間的徑向殘余壓應(yīng)力。此應(yīng)力的大小能真實(shí)的反應(yīng)接口的抗拉壓強(qiáng)度，但在制造工藝中卻很難控制這應(yīng)力的大小[3-5]。因此，本文對(duì)導(dǎo)向管脹接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度采取了試驗(yàn)測(cè)量。

脹接對(duì)于焊接與螺紋連接等其他連接來說具有很鮮明的特點(diǎn)，焊接在臨近失效時(shí)，通常只有失效載荷而沒有一個(gè)特定的失效變形。對(duì)于焊接失效，在失效之前焊接件之間沒有明顯的永久變形，但是對(duì)于脹接則需要確定一個(gè)對(duì)應(yīng)于臨界荷載的許可變形。本試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)向管脹接結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)位移進(jìn)行測(cè)量，并研究了力與位移的關(guān)系。

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1.1　試驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)

試驗(yàn)內(nèi)容：

(1)雙層脹接試驗(yàn)件室溫、高溫下的拉伸力-位移曲線、失效載荷。

(2)單層脹接試驗(yàn)件室溫、高溫下的拉伸力-位移曲線、失效載荷。

(3)雙層脹接試驗(yàn)件室溫、高溫下的壓縮力-位移曲線、失效載荷。

1.2　試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)件包含兩種導(dǎo)向管：一種為內(nèi)徑為10.09 mm，一種為內(nèi)徑為11.45 mm。長(zhǎng)度均為200 mm，內(nèi)管和外管之間分單層脹接和雙層脹接兩種。

關(guān)于試驗(yàn)件的單層、雙層脹接(圖1)。

該試驗(yàn)所需試驗(yàn)設(shè)備如下：

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，電子引伸計(jì)，導(dǎo)向管夾具2套，配套螺絲若干，高溫爐以及相關(guān)的輔助設(shè)備，游標(biāo)卡尺1個(gè)，螺旋測(cè)微器1個(gè)。

試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)件通過專門設(shè)計(jì)的導(dǎo)向管夾具與試驗(yàn)機(jī)加載端連接。拉、壓加載通過試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)，加載力值通過試驗(yàn)機(jī)自帶力傳感器測(cè)量，采用速度控制加載的方式，加載速率為0.5 mm/min。脹接處的相對(duì)位移采用引伸計(jì)測(cè)量。

圖2　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)的溫度通過熱電偶測(cè)量，如圖2所示熱電偶，分上中下三個(gè)布置于試驗(yàn)段。

試驗(yàn)分別在冷態(tài)室溫20℃±5℃和熱態(tài)330℃±5℃的情況下進(jìn)行，試驗(yàn)濕度為室溫正常濕度。

1.3　試驗(yàn)方法

(1)對(duì)試驗(yàn)件在試驗(yàn)前的幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其中脹接直徑在0°和90°兩個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量。

(2)將輔助夾具安裝到導(dǎo)向管試驗(yàn)件上，再將試件與試驗(yàn)機(jī)連接，且盡量保證試驗(yàn)件與載荷軸對(duì)中，防止產(chǎn)生附加彎矩。

(3)試驗(yàn)環(huán)境溫度(室溫或高溫)確認(rèn)，是否滿足試驗(yàn)要求。

(4)若為拉伸試驗(yàn)，給試驗(yàn)件施加20 N的預(yù)拉伸載荷，加載速度約為0.01 mm/min，然后卸載至載荷為0；安裝引伸計(jì)；給試驗(yàn)件施加拉伸載荷，在過程中記錄試驗(yàn)件編號(hào)以及載荷和位移的值，直至拉伸載荷下降。

(5)若為壓縮試驗(yàn)，給試驗(yàn)件施加60 N的壓縮載荷，加載速度約為0.01 mm/min；在熱態(tài)壓縮試驗(yàn)時(shí)，由于高溫使得試驗(yàn)件發(fā)生熱膨脹，在逐步升溫過程中調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的壓頭，從而減小升溫過程中所產(chǎn)生的預(yù)壓載荷，使試驗(yàn)件預(yù)壓縮載荷維持在60 N；壓縮試驗(yàn)所加預(yù)載荷之所以為60 N是由于壓縮試驗(yàn)沒有夾具，為防止試驗(yàn)件脫落故采用60 N預(yù)載荷；安裝引伸計(jì)；給試驗(yàn)件施加壓縮載荷，在過程中記錄試驗(yàn)件編號(hào)以及載荷和位移的值。

2　試驗(yàn)結(jié)果及不確定度分析

2.1　試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)機(jī)直接獲得試驗(yàn)件強(qiáng)度及載荷-位移曲線。

如圖3、圖4所示，得到了雙層脹接的冷、熱態(tài)的拉伸與壓縮的失效載荷及對(duì)應(yīng)位移，單層脹接的冷、熱態(tài)拉伸的失效載荷及對(duì)應(yīng)位移。

圖4　壓縮試驗(yàn)失效載荷及位移

選取其中具有代表性的曲線，如圖5所示，分別有雙層脹接冷態(tài)拉伸與壓縮曲線，雙層脹接熱態(tài)的拉伸與壓縮曲線，單層脹接的冷、熱態(tài)拉伸曲線。試驗(yàn)件的位移以及載荷分別由引伸計(jì)以及試驗(yàn)機(jī)的力傳感器直接測(cè)量得到，因此即可得到試驗(yàn)件的位移與載荷特性曲線。由曲線最大的力得到試驗(yàn)件的失效載荷，即圖5所示軸力最大點(diǎn)。

2.2　試驗(yàn)結(jié)果的不確定度分析

不確定度的A類評(píng)定是指用測(cè)量數(shù)據(jù)列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法來評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度，亦稱A類不確定度評(píng)定[6]。對(duì)被測(cè)量X(標(biāo)準(zhǔn)值)，在重復(fù)性條件或復(fù)現(xiàn)性條件下進(jìn)行n次獨(dú)立重復(fù)觀測(cè)，觀測(cè)值為xi(i=1,2,…,n)。

貝塞爾公式法:

觀測(cè)值xi(i=1,2,…,n)的算術(shù)平均值為：

(1)

由貝塞爾公式計(jì)算得到測(cè)量的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

(2)

(3)

分別以最大載荷以及最大載荷對(duì)應(yīng)的位移作為X，進(jìn)行不確定度分析，結(jié)果如圖6、圖7所示。試驗(yàn)測(cè)得的失效載荷及其對(duì)應(yīng)的位移的不確定度均比較小，證明所測(cè)結(jié)果與真值很接近，分散性較小，結(jié)果是值得信賴的。

圖6　試件的失效載荷有效值不確定度分析

圖7　試件的失效位移有效值不確定度分析

3　結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)向管脹接試驗(yàn)件在常溫環(huán)境和高溫環(huán)下開展了脹接強(qiáng)度試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于雙層脹接試驗(yàn)件熱態(tài)的脹接強(qiáng)度低于冷態(tài)的脹接強(qiáng)度。

(2)在相同工況下，雙層導(dǎo)向管脹接試驗(yàn)件的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度非常接近。

(3)對(duì)于單層脹接試驗(yàn)件，熱態(tài)的脹接強(qiáng)度低于冷態(tài)的脹接強(qiáng)度。

(4)在相同工況下，雙層脹接試驗(yàn)件的抗拉強(qiáng)度要明顯高于單層脹接試驗(yàn)件。