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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一一钢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),探讨了用方法算冲压活套法兰的可行性,并对冲压活套法兰的论计算进
行了讨论与展望。
关键词冲压活法兰非标法兰聖论计算方法 W aters法
中国分类号TQ055.81
文獻标识码A文聿编号0254-6094(2015)06-078603
欧美冲压活套法兰制造企业较多,如:德国的设计失利都会直接影响以后步骤的进行,设计结
KREMO公司、法国的 BENE INOX公司及美国的果可能相差甚远。叫。
MARYLAND METRICS公司等,其制造依据是
Waters法是建立在线弹性板壳理论基础上的
DIN2642和DIN2576标准。在国外,冲压法兰主非标法兰设计计算方法,不论是内压法兰或外压
要应用于染色机上,德国的TC公司是最早使用法兰,除法兰力矩计算式不同外,都根据法兰环和
该法兰的公司之?。在国内,很多地区的染色机圆筒(或包括锥颈)连接的牢固程度,将各类法兰
生产企业已经提出使用冲压法兰的要求,但由于区分为整体(包括带颈)法兰和活套(包括带颈
该种非标法兰在国内缺乏设计依据(GB150是以法兰,任意法兰则向此两者靠找2。 W aters整体
平板理论为基础的),因此这种使用要求一直未法兰的应力计算公式包括按整体法兰计算的任意
被批准。
式法兰和带颈的松式法兰,但后者的系数F、V要
从1891年德国的巴赫提出的Bach法到2009相应地改为活套法兰的系数。 Waters法的基
年新的EN1591标准,法兰的设计计算方法经历本思路为:在弹性分析的基础上,根据垫片系数m
了ー百多年的发展和演变。其设计计算理论按时和密封比压y,在法兰受力确定的条件下,计算出
间可分为3个阶段:基于材料力学的方法、基于弹法兰中的最大应力,借控制其大小实现连接的密
性分析的方法和基于塑性极限的分析方法。而封要求。
Waters法是基于弹性分析的法兰设计方法中最具1.1基本假设条件
代表性且应用最广泛的一种。美国的ASME、我
W ater法推导过程中的假设条件可总结为
国的GB150、英国BS、日本JIS以及法国 CODAP
a.法兰在设计温度下保持弹性,不发生
等标准都以 Waters法为基础。
变与塑性变形。该假设保证法兰上产生的应力和
1 Waters法介绍
应变在弹性范間内。
Waters法自1937年由 Taylor和 Waters提出
b.螺栓载荷昭、墊片载荷五。和流体静压轴
以来,很多学者对其进行了深入研究,给出了建议向力H、Br都是已知的
并对其进行了多次的修改和完普。 Waters指出
c.螺栓载荷与力臂按假定得出,且螺栓载荷
“'法兰设计”实际上包括垫片设计、螺栓设计和与力臂的乘积即为施加于法兰的外力矩,用作用
法兰设计3部分,并且是依次进行,其中任何一步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(SIX0515)。
率张欢欢,女,1988年9月生,土研究生。江苏省无市,214122。
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第42卷第6期
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d.壳体与锥颈以其内表面为中面,由于其ters法)就将该法限制在承受内压和外压法兰的
与环板中面连接处发生位移中断,另假设锥颈大设计范围内。用户如要考虑热循环、控制泄漏或
端的径向位移为零。
法兰还承受其他附加载荷时,应采用该标准附录
e.法兰环的挠曲和变形很小,环形形心的G提供的另一方法(即EN1591-1方法)?。
径向位移可忽略,其中性面因弯曲而引起的伸长
W atesr法中略去了压力载荷对法兰径向作用
可忽略不计241。
所造成的不连续应力以及内压在圆筒、锥颈上引
1.2力学计算模型和计算处理方法
起的“直接薄膜应力”,即所谓的“压力膨胀作
Waters简化和假设后,其计算模型如图1所用”。后认为这是 W atesr法将法兰应力估计偏低
的主要原因。
Waters法没有考虑螺栓孔疏密程度、法兰连
接在载荷作用下的锥颈纵向弯曲应力以及弹塑性
状态下法兰的工作状况等,使得计算结果不够精
=
确。文献[6]指出用 Waters计算的法兰应力比用
有限元分析所得的应力要小1/3,挠度则小一半。
尽管如此, Waters法大半个世纪里在全世界
范围内经受了大量了实践应用考验,证实在设计
情况下能得到满意的设计结果们。 W aters法既
图1法兰受力简图
有合理的理论基础又有成功的使用经验,不失为
Waters将法兰(无论平焊法兰或长颈对焊法
种规范的设计方法?』。
兰)分为壳体、锥颈和法兰环3个部分进行应力
2钢制冲压活套法兰
分析。
同其他法兰连接一样,冲压法兰也是法兰螺
壳体应力分析的计算处理方法:半无限长圆栓连接系统。冲压法兰组件是由法兰盘、翻边短
柱壳,沿边缘(X1=0)受均匀分布的弯矩M。和剪节、垫片、螺栓、螺母和弹簧垫圈组成(图2),冲压
力Q。作用。
法兰的法兰盘不是一个平面,而是由凹陷、凸起和
锥颈应力分析的计算处理方法:线性变厚度外圃的翻边组合而成。冲压法兰的法兰盘和翻边
的圆柱売,在X2=0的小端处作用有沿边缘均匀
短节(尤其是法兰盘)的独特结构与传统的松套
分布的弯矩和剪力,在X2=h的大端处作用有均
法兰有着显著的区别,从而形成了冲压法兰的独
特优点
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V。,构成力矩(其中W
法兰盘
为均布力W。之总和,M。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X1。
1.3评价
垫片
针对不同的法兰形式 Waters法会有不同的
弹簧
垫圈
计算效果,文献[5]指出:计算误差随直径的增加
螺母
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~
图2冲压法兰组件
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。
冲压法兰是一种新型的非标管法兰,与传统
忽略温度及泄漏等级的影响,容易导致密封的管法兰相比较,它结构独特、加工工艺简单、原
等级高的达不到使用要求,密封等级低的造成材材料消耗和综合成本大幅度下降,大规模的推广
料浪费。EN13445.3的第11章(基于 Taylor-Wa-运用将产生显著的经济效益。
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