外鉗式管道坡口機(jī)定圈的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃小兵　劉 富

(1. 攀枝花學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 四川 攀枝花 617000； 2. 西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610039)

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外鉗式管道坡口機(jī)定圈的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

黃小兵1,2劉 富2

(1. 攀枝花學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 四川 攀枝花 617000； 2. 西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610039)

摘要：外鉗式管道切割坡口機(jī)是油氣集輸與搶險作業(yè)的重要設(shè)備，而定圈是外鉗式管道切割坡口機(jī)的核心部件，其截面形狀及大小是影響外鉗式管道坡口機(jī)可靠性和便攜性的關(guān)鍵因素。為此，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，建立了定圈的三維計(jì)算模型，并按照設(shè)備在工作中的受力情況進(jìn)行有限元分析，對不同截面形狀和面積的定圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)對照優(yōu)化。結(jié)果表明：合理的定圈截面形狀不僅可有效提高定圈的剛度，增加設(shè)備的可靠性，同時還能減小定圈重量，提高攜帶性能。

關(guān)鍵詞：外鉗式； 坡口機(jī)； 定圈； 有限元； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

外鉗式管道切割坡口機(jī)是油氣集輸與搶修作業(yè)領(lǐng)域的重要的管道切割設(shè)備，具有體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于油氣集輸與長輸、城市燃?xì)?、給排水等施工及搶險作業(yè)中。定圈作為坡口機(jī)的關(guān)鍵部件，對坡口機(jī)的安裝固定、管道的切削效果起到至關(guān)重要的作用[1-2]。坡口機(jī)機(jī)身采用對開剖分式結(jié)構(gòu)，可以與兩瓣定圈螺紋聯(lián)接的緊固螺栓裝置聯(lián)合使用，方便在管道的任何部位進(jìn)行裝夾固定[3-8]。坡口機(jī)在切削過程中，定圈承受著安裝支撐螺栓上的預(yù)緊力和動圈帶來的扭矩等載荷，在管道圓周方向上容易產(chǎn)生一定幅度的徑向擺動，從而影響管道坡口機(jī)的工作質(zhì)量和效率。增加定圈截面面積可提高系統(tǒng)剛度，但增加的重量又給安裝調(diào)試帶來了不便，影響工作效率。本次研究以一種常用的外鉗式管道切割坡口機(jī)為研究對象，通過三維建模及裝配，考慮定圈結(jié)構(gòu)、安裝載荷、工作載荷等情況，利用有限元理論對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)定圈的受力情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕定圈重量，提高定圈的強(qiáng)度及可靠性。

1計(jì)算模型

根據(jù)平面問題的有限元理論[9-14]，考慮定圈結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)類軸對稱幾何結(jié)構(gòu)，可將其簡化為二維平面問題，建立平面軸對稱問題的有限元計(jì)算模型。

定圈微元平衡微分方程為：

(1)

定圈微元幾何方程為：

(2)

定圈微元物理方程為：

(3)

式中：σr—— 徑向正應(yīng)力，MPa；

σθ—— 環(huán)向正應(yīng)力，MPa；

σy—— 軸向正應(yīng)力，MPa；

τyr—— 垂直于y軸沿r方向的剪應(yīng)力，MPa；

y —— 軸向位移，m；

U —— 徑向位移，m；

Qr—— 徑向體力，N；

Qy—— 軸向體力，N；

E —— 彈性模量，196~216 GPa；

μ —— 泊松比，介于0.24~0.30。

2有限元分析

2.1有限元模型的建立

考慮定圈采用開剖分式對稱結(jié)構(gòu)。有限元模型的計(jì)算容量、運(yùn)行效率等情況，定圈的有限元模型可以簡化成定圈的14模型。為真實(shí)方便地再現(xiàn)所承受的載荷，結(jié)合定圈承受的載荷特征，對定圈所承受載荷部位進(jìn)行處理，得到簡化后的模型，見圖1。

圖1　簡化的定圈模型圖

2.2預(yù)緊力與扭矩特性分析

(1)預(yù)緊力特性與轉(zhuǎn)化。通過固定在定圈上的緊固螺栓裝置，將坡口機(jī)安裝固定在管道上。螺紋聯(lián)接的公式如下：

(4)

式中：T —— 固定螺栓扳手的扭矩，N·m；

d2—— 螺栓的中徑，mm；

Fp—— 螺栓的預(yù)緊力，N；

φ —— 螺紋升角，(°)；

ρv—— 螺紋當(dāng)量摩擦角，(°)。

M16螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩(Ma)與預(yù)緊力(Fp)的關(guān)系可描述為：

Fp=671+342Ma

(5)

結(jié)合定圈的有限元模型和預(yù)緊力特性，把預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為沿螺紋孔軸向向外拉的應(yīng)力P1：

(6)

式中：d —— 螺紋孔徑，mm。

(2)扭矩的特性與轉(zhuǎn)化。在坡口機(jī)作業(yè)時，定圈受到動圈旋轉(zhuǎn)帶來的扭矩，結(jié)合建立的定圈有限元模型，把此扭矩轉(zhuǎn)化為圓周方向的壓應(yīng)力P2：

(7)

式中：P2—— 應(yīng)力，MPa；

P —— 電機(jī)傳遞的功率，kW；

S2—— 作用面積，mm2；

L —— 作用點(diǎn)離管道的距離，m。

以最常用的外鉗式管道切割坡口機(jī)，切割管道直徑為245~445 mm，定圈和緊固螺栓的材料為碳鋼。

2.3網(wǎng)格劃分與約束載荷的施加

考慮計(jì)算精度、計(jì)算容量和運(yùn)行速度等因素，將定圈有限元模型的單元類型定為8節(jié)點(diǎn)185單元。結(jié)合模型結(jié)構(gòu)，使用Smartsize進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。對所受應(yīng)力部位進(jìn)行人工調(diào)整，得到589 102個單元(圖2)。對有限元模型的下截面、上截面、前表面施加相應(yīng)的約束，對模型施加載荷。螺紋孔軸向向外的拉應(yīng)力為102 MPa，圓周方向的壓應(yīng)力為 0.497 4 MPa。

圖2　網(wǎng)格劃分與約束載荷的施加圖

2.4應(yīng)力應(yīng)變分析

圖3 — 圖4為定圈有限元模型應(yīng)變云圖。從圖3a可知：模型最大應(yīng)變出現(xiàn)在兩瓣定圈結(jié)合處的內(nèi)圈，應(yīng)變量為0.128 534 mm；最小應(yīng)變出現(xiàn)在螺栓孔與兩瓣定圈結(jié)合處之間位置，應(yīng)變量為 0.022 301 mm。從圖3b可知：定圈有限元模型在兩瓣定圈結(jié)合處的應(yīng)變方向?yàn)閺较蛳騼?nèi)；沿著定圈圓周順時針方向，應(yīng)力方向逐漸徑向向外，在螺紋孔處應(yīng)變方向?yàn)閺较蛳蛲?。分析可知固定在動圈上的刀具隨變形后的定圈線框運(yùn)動而運(yùn)動。

從圖4可知，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在兩瓣定圈結(jié)合處和螺紋聯(lián)接處，其值為為168.043 MPa，最小的應(yīng)力為0.052 633 MPa。

圖3　應(yīng)變圖

圖4　應(yīng)力云圖

3結(jié)語

(1)根據(jù)坡口機(jī)定圈力學(xué)分析結(jié)果及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)坡口機(jī)定圈的橫截面，減輕了定圈及整機(jī)的重量，提高了定圈及系統(tǒng)的剛度。

(2)提高坡口機(jī)工作剛度的主要方法是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時提高兩瓣定圈的聯(lián)接強(qiáng)度，取消定圈上的安裝支撐缺口等。

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Finite Element Analysis and Structure Optimization for the Fixed Ring of Pipe Beveling Machine

HUANGXiaobing1,2LIUFu2

(1. School of Mechanical Engineering, Panzhihua University, Panzhihua Sichuan 617000, China;2. School of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Abstract:The external clamp-on pipe beveling machine is an important equipment in oil and gas gathering and rescue. While fixed ring is the core component of pipe beveling machine, so its section shape and size are the key factors to influence the reliability and portability of the machine. For this purpose, the three dimensional calculation model of the fixed ring is established according to the modern design methods in this paper, and mechanics analysis and contrast are done among a set of different cross section shapes and sizes of the fixed ring. Results show that the reasonable cross section shape of fixed ring can effectively improve the stiffness of fixed ring, reduce the weight of the fixed ring and improve its portability at the same time.

Key words:external clamp-on; pipe beveling machine; fixed ring; finite element; structure optimization

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)01-0099-04

中圖分類號：U175

作者簡介：黃小兵(1974 — )，男，四川岳池人，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

基金項(xiàng)目：四川省人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目“管道搶修關(guān)鍵技術(shù)”(0290200011)

收稿日期：2015-10-28