冲压活套法兰设计计算方法探析.pdf

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1、786化工机械2015年冲压活套法兰设计计算方法探析+张欢欢¨朱海清(江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室)摘要对一种新型非标管法兰——钢制冲压活套法兰进行了介绍，通过分析目前通用的非标法兰设计计算方法(waters法)，探讨了用该方法计算冲压活套法兰的可行性，并对冲压活套法兰的理论计算进行了讨论与展望。关键词冲压活套法兰非标法兰理论计算方法Wate璐法中图分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号0254和94(2015)06—0786_03欧美冲压活套法兰制造企业较多，如：德国的KREMO公司、法国的BENEINOX公司及美国的MARY

2、LANDMETRIcS公司等，其制造依据是DIN2642和DIN2576标准。在国外，冲压法兰主要应用于染色机上，德国的TC公司是最早使用该法兰的公司之一。在国内，很多地区的染色机生产企业已经提出使用冲压法兰的要求，但由于该种非标法兰在国内缺乏设计依据(GBl50是以平板理论为基础的)，因此这种使用要求一直未被批准。从1891年德国的巴赫提出的Bach法到2009年新的ENl59l标准，法兰的设计计算方法经历了一百多年的发展和演变。其设计计算理论按时间可分为3个阶段：基于材料力学的方法、基于弹性分析的方法和基于塑性极限的分析方法。而Waters法是基

3、于弹性分析的法兰设计方法中最具代表性且应用最广泛的一种。美国的ASME、我国的GBl50、英国BS、日本JIs以及法国CODAP等标准都以Waters法为基础。1Waters法介绍waters法自1937年由Taylor和Waters提出以来，很多学者对其进行了深入研究，给出了建议并对其进行了多次的修改和完善。waters指出“‘法兰设计’实际上包括垫片设计、螺栓设计和法兰设计3部分，并且是依次进行，其中任何一步设计失利都会直接影响以后步骤的进行，设计结果可能相差甚远。”⋯。Waters法是建立在线弹性板壳理论基础上的非标法兰设计计算方法，不论是内压

4、法兰或外压法兰，除法兰力矩计算式不同外，都根据法兰环和圆筒(或包括锥颈)连接的牢固程度，将各类法兰区分为整体(包括带颈)法兰和活套(包括带颈)法兰，任意法兰则向此两者靠拢旧。。waters整体法兰的应力计算公式包括按整体法兰计算的任意式法兰和带颈的松式法兰，但后者的系数F、y要相应地改为活套法兰的系数"1。waters法的基本思路为：在弹性分析的基础上，根据垫片系数m和密封比压y，在法兰受力确定的条件下，计算出法兰中的最大应力，借控制其大小实现连接的密封要求。1．1基本假设条件Waters法推导过程中的假设条件可总结为：a．法兰在设计温度下保持弹性，

5、不发生蠕变与塑性变形。该假设保证法兰上产生的应力和应变在弹性范围内。b．螺栓载荷形、垫片载荷日。和流体静压轴向力日。、日，都是已知的。c．螺栓载荷与力臂按假定得出，且螺栓载荷与力臂的乘积即为施加于法兰的外力矩，用作用于法兰环内径和外径上的当量力偶代替。+江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(SJLx旬515)。料张欢欢，女，1988年9月生，硕士研究生。江苏省无锡市，214122。第42卷第6期化工机械787d．壳体与锥颈以其内表面为中面，由于其与环板中面连接处发生位移中断，另假设锥颈大端的径向位移为零。e．法兰环的挠曲和变形很小，环形形心的径向位移

6、可忽略，其中性面因弯曲而引起的伸长可忽略不计拉“3。1．2力学计算模型和计算处理方法Waters简化和假设后，其计算模型如图l所示。S≤f)图l法兰受力简图Waters将法兰(无论平焊法兰或长颈对焊法兰)分为壳体、锥颈和法兰环3个部分进行应力分析。壳体应力分析的计算处理方法：半无限长圆柱壳，沿边缘(x。=o)受均匀分布的弯矩眠和剪力Q。作用。锥颈应力分析的计算处理方法：线性变厚度的圆柱壳，在X：=0的小端处作用有沿边缘均匀分布的弯矩和剪力，在墨=^的大端处作用有均布的弯矩和剪力。法兰环应力分析的计算处理方法：环形薄板，在其内外环上作用均布力耽，构成力

7、矩(其中形。为均布力耽之总和，肘。为法兰设计力矩)另外还作用有沿内圆周均布的弯矩，其值为x。。1．3评价针对不同的法兰形式Waters法会有不同的计算效果，文献[5]指出：计算误差随直径的增加而增加。直径为1219mm时，约低估10％；而直径较大时，低估可达30％。对于在1．138～2．172MPa压力范围内直径超过1524mm的法兰，应该在法兰设计中采用更为精确的计算方法。忽略温度及泄漏等级的影响，容易导致密封等级高的达不到使用要求，密封等级低的造成材料浪费。ENl3445．3的第1l章(基于TayIo卜wa—ters法)就将该法限制在承受内压和外

8、压法兰的设计范围内。用户如要考虑热循环、控制泄漏或法兰还承受其他附加载荷时，应采用该标准附录G提供的另一方法