液压顶紧器螺纹联接强度变形分析.pdf

第 4 1 卷第 1期 2 0 1 2年 1月 石油化工设备 PE TRO- CHEMI CAL EQUI PME NT V0 I ． 4 1 No ． 1 J a n ． 2 0 1 2 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 2 0 1 0 0 3 6 0 4 液压顶紧器螺纹联接强度变形分析 李亮 ，邓子龙 ，高德胜 辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺1 1 3 0 0 1 摘要 液压顶紧器是焦炭塔底卸盖机 中起 密封作用的主要设备之一。鉴于液压顶紧器的工作环境 温度高、 承受栽荷强度大等特 点， 对其与底盖装配处容易失效的螺纹进行强度 与变形计算。利用 ANS Y S传热分析给 出螺纹部分的温度进 而确定材料在该温度下的力学性能， 并施加预 紧力及 外 载荷 ， 采用非线性接触分析得 出应力应变变化情况， 此计算结果可为类似设备的改进设计提供一定 的理论依 据 。 关 键词 液压顶紧器 ； A N S Y S ；变形；强度 中图分 类号 T Q 0 5 0 ． 2 ；T E 9 6 2 文 献标 志码 B An a l y s i s o f I n t e ns i t y a n d Di s t o r t i o n f o r Thr e a d e d Co n n e c t i o n s o f Hy d r a u l i c Cl a mp LI Li a ng， DENG Zi - l o ng， GAO De - s he n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g．Li a o n i n g Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m 8 L Ch e mi e a l Te c h n o l o g y，Fu s h u n 1 1 3 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e h y d r a u l i c c l a mp i s t h e i mp o r t a n t s e a l e d e q u i p me n t t o c o k e t o we r i n d e l a y e o k i n g d e v i c e ．Be c a u s e o f t h e h i g h t e mp e r a t u r e a n d l a r g e s t r e n g t h b o r n b y t h e h y d r a u l i c c l a mp，t h e r e i s a s i mu l a t i o n f o r t h e s e l o c a t i o n s wh i c h a r e e a s y t o l o s e e f f e c t i v e n e s s ．Th e t e mp e r a t u r e o f t h e l o c a t i o n o f t h e t h r e a d e d c o n n e c t i o n s ，a n d t h e c h a r a c t e r o f me c h a n i c s we r e a n a l y z e d wi t h ANS YS ． Th e c o n c l u s i o n o f s t r e s s a n d d i s t o r t i o n b y g i v i n g t h e p r e t i g h t e n i n g f o r c e a n d e x t e r n a l a p p l i e d l o a d we r e o b t a i n e d b y u s i n g t h e me t h o d o f n o n l i n e a r c o n t a c t a n a l y s i s ． Th e r e s u l t c o u l d p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e f u r t h e r i mp r o v e me n t o f t h e s i mi l a r e q u i p me n t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c l a mp；ANS YS；i n t e n s i t y；d i s t o r t i o n 延迟焦化装置 中， 人工拆卸焦炭塔底盖连接螺 栓工作中存在高危 、 低效、 无法控制、 劳动环境差和 劳动强度大等问题 。2 0 1 0 - 0 4 ， 辽宁石油化工大学与 辽 河 石化 公 司进 行 合作 ， 研 制 出 自动装 卸 盖 设 备 焦炭塔底盖法兰 自动开合机构 ， 本文对该设 备 中液压顶紧器螺纹联接部分的应力及变形进行 了 有限元分析。 1 焦炭 塔底盖 法兰 自动开合机构简介 1 ． 1 主要结构及特点 焦炭塔法兰 自动开合机构采用机、 电、 液一体化 设计 ， 正常工作时所需的密封力由 3 2 组液压顶紧器 提供 ， 以自动补偿温度变化产生的变形 ， 此密封力 比 较均匀、 稳定， 符合法兰钢 圈密封要求 ， 其 主要结构 示 图见 图 1 。 此 自动开合机构具有以下显著特点。 1 采用 3 2组滑套锁紧结构可以保证密封力 同 步 、 可靠 ， 并可有效防止底盖翘曲。 2 当焦炭塔结焦完后， 不需要装卸任何部件即 可实现 自动拆卸。 3 保护筒为水利除焦提供除焦通道 ， 可以有效 防止焦炭和除焦水外溅 ， 为操作人员提供了 良好 的 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 1 2 作者简介 李亮 1 9 8 4 一 ， 男 ， 河北秦皇 岛人 ， 在读硕 士， 研究方向为机械现代设计 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李亮 ， 等 液压顶紧器螺纹联接强度变形分析 工作 环境 。 塔身 密封网 联接件 螺纹 液 顶杆 碟簧组 进油腔 图 1 液 压 顶 紧器 安 装 结 构 不 图 1 ． 2 液压顶紧器联接结构 液压顶紧器是焦炭塔 自动卸盖机的关键部位之 一 ，与底盖相连代替传统 的螺栓法兰结构 。碟簧组 向上推动液压顶杆施加密封力时 ， 顶紧器与底盖联 接部分的螺纹承受较大的轴 向载荷。焦炭塔生焦过 程 中塔内温度高达 4 9 0℃， 在顶 紧器设计过程中虽 然 已经考虑尽量避免传导辐射热源 ， 但是与底盖连 接 的 液压 顶紧 器 的螺纹 联接 处仍 不 可避免 地 承受来 自塔身 内部传导的较 高温度 。鉴于此高温工况 ， 有 必要对液压顶紧器螺纹联接的强度及变形进行计算 分 析 。 2 确定 温度影响 因素 2 ． 1 建立有限元模型口 鉴于真实结构较为复杂 ， 为减少计算量做如下 假设 ① 忽略 结 构 中小 的缝 隙 。② 忽 略 由密 封 圈 等 小结构的材料不一致而产生的影响。③视顶紧器为 实心 圆柱 体 。 采用 P r o E NGI NE E R建 模无缝 导人 ANs Y S 软件的方 式， 此方 法 可 以将 ANS YS直接 集 成在 P r o ／ E之 中 ， 模 型转 换 过 程 可 以在 不脱 离 P r o ／ E和 ANS Y S这两 个 软件 的情 况 下 进 行 。这 种 接 口方 式 不需转换模型的文件格式 ， 做到 C AD ／ C AE的一体 化 。模型选用三 维 2 0节点 S o l i d 9 0热分 析单元划 分 网格 。 液压顶紧器安装结构有限元模型见图 2 。 2 ． 2 计算参数 顶紧器在施 加密封力的作业 中可视 为恒 温过 程 。因此 ， 螺纹联接部 分产生 的热应力很小而不 必 进行瞬态传热分析 ， 该 工况按稳态对流过程进行传 热 计算 。 2 液 压 琐 紧器 安 装 结 构 有 限兀 模 型 整个 模 型材 料 属 性 均 定 义 为 1 5 C r Mo ， 导 热 系 数为 4 0 ． 6 w／ m K 。模型 内壁 的加载温 度为 4 9 0℃， 内壁面传热系数 1 7 0 0 ． 0 w／ m。℃ 。焦 炭塔底盖筒节外表面 、 法兰外表面、 凸形底盖外表面 及液压螺栓两端外表面等与周 围空气传 热系数取 3 2 ． 0 w／ m ℃ ， 温度均 取室 温 2 O℃。 2 ． 3 计算结果L 2 ] 工作平面沿 y轴负方 向旋转至 中间剖面位置 显示切片得到的传热模型中间部位温度等值线云图 见图 3 。从 图中可知， 螺纹部分均落于同一颜 色的 等 温 区域 ， 此 区域 温度 为 3 0 3℃。 图 3 传热模 型剖面温度 等值 线云图 3螺纹强度分析 3 ． 1有 限元模 型 顶紧器与底盖联接部分为 M6 4 1 T I F I 1 3 mm 的 公制标 准 螺纹 ， 其 中旋 合 长度 5 0 mm， 顶杆 孔 径 3 2 mm， 取配合 处的一部分 为研究对 象建立模 型。 螺纹啮合属于高度非线性接触问题 ， 当螺纹螺旋 升 角 ≯小于 4 。 时在轴向载荷作用下载荷沿螺纹齿的分 布几 乎不 受螺 旋升 角 的影 响 ， 选 用具 有 标 准 牙 型 的 周 向环状凸缘代替连续螺纹_ 3 ] 。 螺旋升角 用下式计算 t a n P／ d2 式中， ≯为螺旋 角 ， 。 ； P 为螺距 ， d 为螺 纹 中径 ， m m。 利用上述公式代入本文数据可得出螺旋升角 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 2年第 4 l 卷 为0 ． 8 8 。 ， 满足简化要求。 选用平面 8节点 P l a n e 一 8 2单元， 单元行为设 置 为 Ax i s y mme t r i c ， 采用 自由网格划分方式划分单元 并考虑到螺纹牙根部存在应力集 中对螺纹牙根部分 进行细分网格[ 4 ] 。螺纹啮合过程是一种螺齿之间不 断相互接触传递力作用的过程 ， 为此 ， 在建模过程 中 定义螺纹啮合接触面和 目标面。顶紧器受力方向垂 直于底面向下， 考虑到受力后预想接触 的边分别选 用 T AGR E 1 6 9与 C ON TA1 7 2接触单元 对外螺纹 螺纹牙根部下边缘线与内螺纹螺纹牙根上边缘线接 触建立接触对。 ANS Y S提供预紧单元法 、 初始 渗透法及 降温 法 3种预紧力的施加方法 ] ， 文 中采用预紧力单元 P R E T S 1 7 9和 P S ME S H预拉伸分 网操 作来模拟螺 栓的预紧力 。预紧力单元 P RE T S 1 7 9在顶紧器模 型处模拟一个预拉伸截面， 产生预紧力单元 自动将 划分了网格的联接件切成两部分 ， 顶紧器螺纹联接 有限元 模 型见 图 4 。 图 4 顶紧器螺纹联接有限元模型 3 ． 2 边界条件 底盖螺纹取 自底盖结构的一小部分， 对图 4中 右侧面的上边缘 线及右边缘 线 的 x y方 向进行位 移。在施加预紧力载荷步中还需约束顶紧器螺纹模 型底边 的 y方 向。 外载荷以 P r e s s u r e方 式加于顶紧器螺纹模型 的下边缘线上， 方向沿 Y轴竖直 向下。 3 ． 3计算参数确定 由传热分析可知螺纹联接结构处的温度值为 3 0 3℃。在 该 温 度 下 ， 1 5 C r Mo的 弹 性 模 量 为 1 9 7 ． 0 G P a ， 泊松 比 0 ． 2 8 4 ， 许 用应力 1 4 3 ． 0 MP a 。 螺纹间摩擦因数 0 ． 1 7 。 顶紧器的工作特点为顶杆压缩碟簧实现机械加 载密封力 ， 液压驱动顶杆使之缩 回释放密封力 。因 此， 螺纹部分的最大受力出现在施加密封力的工况 条件下 。根据施工现场资料 ， 取推力为 6 N嘲， 经有 关计算可得该处螺纹联接预紧力 4 5 9 3 7 ． 5 N。 3 ． 4计算方法 采用增广 L a g r a n g e非线性接触算法进行计算 ， 接触探测为高斯积分点。 采用 3 个载荷步骤进行计算 ] ①约束 2个螺 纹联接件间轴 向位移、 施加预紧力并计算 预紧力单 独作用的结果 ， 作为结构的初始状态。②该载荷步 用于锁定 因预紧载荷引起的预紧节点位移 ， 即将预 紧载荷替代为相应 的位移约束施加在结构上 ， 并在 以后的载荷步中保持不变 ， 这就真实地模拟了螺栓 预紧后的情况。③施加约束及工作载荷， 计算 预紧 力和工作载荷联合作用时的结果 。 3 ． 5 结果分析 顶紧器螺纹模型 Y轴方向DO F云图 ， 经 3 ／ 4三 维拓展效果见图 5 。 从图中可知， Y轴方向位移云图显示螺纹结构 轴向最大变形量为 0 ． 0 0 9 6 7 mm。相对于顶紧器碟 簧行程 ， 此变形量轴向变形较小 ， 对施加密封力不会 造成大的影响。 图 5 Y方 向位移三维拓展图 由后处理输出的预紧载荷步及最终作用效果的 等效应力等值线云图见图 6 ， 从 图中可知 ， 受预紧力 作用时最大应力 5 5 ． 2 MP a ， 不存在危险工况 。 图 6 预紧工况等效应力 云图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 李 亮 ， 等 液压顶紧器螺纹联接强 度变形分 析 3 9 最 后 载荷 步骤 的应 力 云 图见 图 7 ， 从 图 中可 知 ， 施 加 密封 力时 最大 应力 为 1 1 7 ． 0 MP a 。由于轴 向应 力 分布 对 轴 向载荷 非常 敏感 ， 随着 轴 向力 的增加 ， 接 触 面积 随 之减小 ， 最 大应 力 出现 在 临 近 受 力 点第 一 个 螺距 内齿 根处 [ s 1 2 ] 。 ㈣ i⋯ Ⅲ 0 Ho de 1 1⋯e n0 0z 图 7 最后 载荷下的应力等值线 图 齿根方向第一个螺距内定义路径受力情况见图 8 ， 由图 中可知 ， 模 型 中各 节 点 的受 力 均 小 于 材 料 在 3 0 0℃下 的许用 应力 1 4 3 ． 0 MP a 。 距离／ mm 图 8 最大受力螺纹齿根处 Vo n Mi s e s应力 4 结语 应 用 ANS YS 、 P r o E NGI NE E R 软 件 对 液 压 顶 紧器螺 纹 的极 限工 况 进 行 了计 算 分 析 ， 证 实 了焦 炭 塔底盖 自动卸盖机顶紧器的螺纹强度 、 变形满足工 程实际的需要。在设计研发及生产使用过程 中， 应 注意温度对卸盖机 的影响 ， 避免 因环境 温度过高导 致设 备 失效 。 参考文献 [ 1 ] 余伟神 ， 高炳 军． ANS YS在机 械与化 工设备 中 的应用 [ M] ．北京 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 张朝 晖．A NS Y S热 分析教 程 与实 例解 析l- M] ． 北京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 7 ． ’ [ 3 ] 方栋 ， 陈继志． 高强度螺栓螺纹根部应力集 中的有限 元分析 [ J ] ．材料开发与应用 ， 2 0 0 7 ， 2 2 2 3 7 3 9 ． [ 4 ] 陈海平 ， 曾 攀， 方 刚 ； 等． 螺纹 副 承载 的分 布规 律 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 0 ， 4 6 5 1 7 1 1 7 8 ． I s ] 李会勋 ， 胡迎 春 ， 张建 中． 利 用 AN S YS模 拟螺 栓预 紧 力 的研究E J ] ．山东科技大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 3 5 7 5 9 ． [ 6 ] 成大先． 机 械设计 手册 [ M] ．北 京 化 学工 业 出版社 ， 2 00 4． [ 7 ] 陆秉权 ， 王海龙 ， 周小飞 ， 等． 应用有限元技术 计算螺栓 联接的方 法研 究 [ J ] ． 黑龙 江 电力 ， 2 o o 4 ， 2 6 4 1 0 0 1 O2 ． [ 8 ] MA O R i d o n g ，S UN Yu j u a n ，Z HANG We i z h e n g ． Nonl i ne a r Ana l y s i s of Ax i a l l o a d a n d St r e s s Di s t r i but u i o n f o r Th r e a d e d C o n n e c t i o n[ J ] ．CHI NE S E J O UR NAI F M ECHANI CAL ENGI NEERT NG 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