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

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(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)聯(lián)接應(yīng)力松弛的情況做以驗(yàn)證，對(duì)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?cè)瓉順?biāo)準(zhǔn)法蘭盤的厚度尺寸，在一對(duì)聯(lián)接法蘭的原有結(jié)合面上，分別加工出兩個(gè)環(huán)形T型槽，法蘭安裝時(shí)原來結(jié)合面就形成了裝配關(guān)系；同時(shí)，把法蘭聯(lián)接的光螺栓孔改為螺紋孔，即法蘭聯(lián)接時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)法蘭均以320 MPa安裝緊固后，隔一定時(shí)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(duì)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.