角向型波紋管補償器結構設計

文章來(lái)源：http://www.csqw007.com 發(fā)布時(shí)間：2020-04-22 瀏覽次數：66

角向型波紋管補償器結構設計，文中以某工程中使用的DN1600雙鉸鏈波紋膨脹節為例。其工作環(huán)境為150℃，管線(xiàn)壓力為0.1MPa;補償要求為Y方向擺動(dòng)3°、Z方向擺動(dòng)3°。根據技術(shù)指標要求，

依據GB/T12777標準設計波紋管幾何尺寸如下:波紋管內徑為1624mm，波高為56mm，波距為70mm，單層壁厚為0.8mm，

層數為3層，波數為4，角向型波紋補償器材料為321。依據GB/T12777標準計算，波紋管應力計算結果如下:

壓力引起的    波紋管補償器直邊段周向薄膜應力σ1=12.534MPa;壓力引起的波紋管周向薄膜應力σ2=18.019MPa;

壓力引起的波紋管子午向薄膜應力σ3=1.187MPa;壓力引起的波紋管子午向彎曲應力σ4=47.623MPa;

位移引起的波紋管子午向薄膜應力σ5=6.284MPa;位移引起的波紋管子午向彎曲應力σ6=1052.704MPa．

波紋管設計溫度下的許用應力［σ］t=137MPa，計算結果滿(mǎn)足:σ1≤［σ］t、σ2≤［σ］t、σ3+σ4≤3［σ］t，滿(mǎn)足使用要求。

2．波紋管補償器萬(wàn)向環(huán)、銷(xiāo)軸設計分析目前，萬(wàn)向環(huán)采用圓形結構的較多，由板料卷制焊接而成，

大直徑卷制圓環(huán)校圓精度較低，圓度不易保證，使圓形萬(wàn)向環(huán)上的銷(xiāo)軸孔不能保證圓周均布，

給安裝鉸鏈板帶來(lái)不便。同時(shí)，受圓形萬(wàn)向環(huán)的圓度影響，圓形萬(wàn)向環(huán)內壁與每個(gè)鉸鏈板的間隙不均勻，

在波紋管角位移變形補償時(shí)，圓形萬(wàn)向環(huán)內壁與鉸鏈板之間容易干涉，甚至出現“卡死”現象，影響膨脹節旋轉。

為避免這種情況發(fā)生，內側鉸鏈板與圓形萬(wàn)向環(huán)之間的間隙設計的要大些，鉸鏈板、

萬(wàn)向環(huán)的寬度越大、膨脹節角位移變形補償量越大，間隙設計要求就越大。

采用方形萬(wàn)向環(huán)結構設計方案時(shí)，方形萬(wàn)向環(huán)是由4個(gè)板狀零部件焊接而成，

能保證萬(wàn)向環(huán)與鉸鏈板銷(xiāo)軸孔的正確安裝位置。同時(shí)由于鉸鏈板與方形萬(wàn)向環(huán)的內壁都為平面結構，

兩件之間的配合間隙可以適當減小。當按照設計間隙正確安裝后，萬(wàn)向環(huán)與鉸鏈板之間相對移動(dòng)自如，不會(huì )出現“卡死”現象。

由此可見(jiàn)，在不銹鋼波紋管補償器參數相同情況下，圓形萬(wàn)向環(huán)的內徑要比方形萬(wàn)向環(huán)的內壁尺寸大。

對大直徑鉸鏈膨脹節結構，當萬(wàn)向環(huán)尺寸增加后，受力狀況更加復雜，并且會(huì )產(chǎn)生更大的變形。

因此采用方形萬(wàn)向環(huán)不但可以簡(jiǎn)化設計、還可以改善萬(wàn)向環(huán)的受力狀況。由于方形萬(wàn)向環(huán)為零部件焊接結構，

當波紋膨脹節通徑較大時(shí)，可以在安裝現場(chǎng)進(jìn)行萬(wàn)向環(huán)的組焊，以方便運輸。

根據鉸鏈金屬膨脹節設計結構對萬(wàn)向環(huán)進(jìn)行有限元分析。萬(wàn)向環(huán)與鉸鏈板之間通過(guò)銷(xiāo)軸連接，

萬(wàn)向環(huán)除了承受波紋管內壓外，還要承受外部載荷，總拉力為328.985kN．

萬(wàn)向環(huán)的主應力最大值發(fā)生在4個(gè)側板邊沿中間處，最大值為129MPa．

最大剪切應力位于銷(xiāo)軸與萬(wàn)向環(huán)接觸處，最大值為9.65MPa，見(jiàn)圖2。萬(wàn)向環(huán)的材料為Q345，許用應力［σ］=170MPa，

最大主應力σ1=129MPa＜1.5［σ］，最大剪切應力τ=9.65MPa＜0.6［σ］，設計符合要求。

由于大直徑金屬波紋補償器內壓較大，同時(shí)又受到外載荷的作用，所以在滿(mǎn)足強度要求條件下，

萬(wàn)向環(huán)結構尺寸設計安全系數要高些，以減少萬(wàn)向環(huán)的彎曲變形。

(a)主應力分布圖(b)剪應力圖圖2萬(wàn)向環(huán)應力分布圖每個(gè)銷(xiāo)軸由2個(gè)鉸鏈板拉動(dòng)，

鉸鏈板的總拉力為328.985kN，包含了盲板力和外部載荷。對銷(xiāo)軸進(jìn)行有限元分析，

最大剪應力為9.66MPa，見(jiàn)圖3。銷(xiāo)軸的材料為2Cr13，許用應力［σ］=147MPa，最大剪切應力τ=9.66MPa＜0.6［σ］，設計符合要求。

圖3銷(xiāo)軸剪應力分布圖2．3鉸鏈板設計鉸鏈板與馬鞍板焊接連接，鉸鏈板承受盲板力與外部載荷，

總拉力為328.985kN．根據設計尺寸對其進(jìn)行有限元分析，應力最大點(diǎn)位于鉸鏈板銷(xiāo)軸孔徑位置。

波紋管補償器鉸鏈板的材料為Q345，許用應力為［σ］=170MPa，鉸鏈板的拉應力(最大主應力)=86.3MPa＜［σ］，

最大剪切應力τ=48.8MPa＜0.6［σ］，設計符合要求。根據應力分布情況，制造時(shí)要保證馬鞍板和鉸鏈板的焊接強度，保證波紋管補償器運行安全可靠。