異徑三通泄漏夾具設(shè)計(jì)與分析機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)

異徑三通泄漏夾具設(shè)計(jì)與分析摘 要據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國每年都會(huì)發(fā)生由于螺栓腐蝕堵漏所產(chǎn)生的人員傷亡事故。當(dāng)管道內(nèi)有較高的內(nèi)壓時(shí)，如果直接調(diào)換腐蝕螺栓易造成管道結(jié)構(gòu)爆裂，要是管道內(nèi)是有毒有害氣體、液體，或者管道是在高溫高壓的環(huán)境下，那么管道爆裂產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想。我所研究的項(xiàng)目是使用一種專門用于螺栓腐蝕與線密封的夾具，可以在不更換管道和不影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下安全有效的解決問題。所以這種密封技術(shù)最主要的問題就是夾具的設(shè)計(jì)。我這次研究的主要項(xiàng)目是異徑三通的泄漏夾具，它是由本夾具體和兩邊的耳板組成的。先根據(jù)事實(shí)工況，了解基本要求，運(yùn)用理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械工程材料、機(jī)械設(shè)計(jì)等機(jī)械課程專業(yè)知識，并考慮溫度、壓力等現(xiàn)實(shí)因素的影響，從而對異徑三通泄漏夾具進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，然后利用UG根據(jù)計(jì)算出來的數(shù)據(jù)繪制出異徑三通泄漏夾具的模型。最后通過有限元分析軟件對其強(qiáng)度和剛度的分析，得出夾具的可行性并確定異徑三通泄漏夾具的最后確定結(jié)構(gòu)，這里用的是ABAQUS。關(guān)鍵詞: 密封；異徑三通管道泄漏夾具；UG；ABAQUSDesign and Analysis of Three-Way Pipe With Different Diameter Leakage FixtureAbstractAccording to the survey found that, due to the bolt corrosion leakage of the personnel casualty our country at present every year.When pipeline with high internal pressure, if direct bolt corrosion of the pipeline structure burst switch, if the pipe is poisonous and harmful gases, liquids, or is under the environment of high temperature and high pressure pipe, the pipe burst the consequence will be unimaginable.My research project is to use a dedicated line bolt corrosion and sealing clamp, can not replace the pipeline and does not affect the normal operation of equipment under the condition of safe and effective to solve the problem.So the main problem is the sealing technology of jig design.My main project is the study of reducing tee leak clamp, it is made of the concrete and the ears on both sides of the plate.Therefore according to the working condition of the facts first, and understand the basic requirements, using the theory of mechanics, material mechanics, mechanical engineering, mechanical design, such as mechanical professional knowledge, and consider the effect of practical factors such as temperature, pressure, and thus to theoretical design of reducing tee leak clamp, then using UG according to the calculated data to map the reducing tee leak clamp model, Finally through the finite element analysis software on the analysis of the strength and stiffness, it is concluded that the feasibility of the fixture and determine leakage reducing tee finally determine the structure of the fixture, here with ABAQUS.Key Words: Clamp；Three-way pipe with different diameter leakage fixture；UG；ABAQUS目錄第一章緒論11.1 研究背景和意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.2.1 國內(nèi)發(fā)展11.2.2 國外發(fā)展11.3 項(xiàng)目簡介2第二章 泄漏與密封32.1 管道的泄漏32.1.1 管道泄漏引發(fā)事故的比例32.1.2 泄漏的危害32.1.3 管道泄漏的形式及其部位42.2 密封技術(shù)62.2.1 密封的含義62.2.2 靜密封6第三章 異徑三通管道泄漏夾具的設(shè)計(jì)與計(jì)算93.1 管道夾具簡介93.1.1 夾具的作用93.1.2 夾具的組成93.1.3 腐蝕夾具結(jié)構(gòu)圖103.2 異徑三通管道泄漏夾具各參數(shù)的設(shè)計(jì)123.2.1異徑三通管泄漏夾具輪廓尺寸的設(shè)計(jì)123.2.2異徑三通管道選取153.2.3耳板厚度計(jì)算163.2.4連接螺栓183.3異徑三通泄漏夾具及螺栓的計(jì)算與繪制213.3.1 泄漏點(diǎn)的工況參數(shù)213.3.2異徑三通管道泄漏夾具相關(guān)尺寸的確定213.3.3 根據(jù)各數(shù)據(jù)繪制直管泄漏夾具及裝配CAD23第四章 異徑三通管道泄漏夾具的建模與分析264.1 UG的應(yīng)用264.1.1 UG簡介264.1.2 UG繪制異徑三通泄漏夾具及其他部件264.2 ABAQUS的應(yīng)用294.2.1 ABAQUS的簡介294.2.2 強(qiáng)度與剛度294.2.3異徑三通管道泄漏夾具的有限元分析30第五章結(jié)論315.1 項(xiàng)目成果315.2項(xiàng)目的價(jià)值31參考文獻(xiàn)32致 謝32第一章 緒論1.1 研究背景和意義從上世紀(jì)20開始，帶壓密封技術(shù)開始出現(xiàn)，經(jīng)過多年來各種先進(jìn)技術(shù)的不斷更新，這項(xiàng)技術(shù)在不同公司企業(yè)中開始被運(yùn)用。運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)有個(gè)好處就是，如果在生產(chǎn)過程中發(fā)生泄漏，我們可以在正常生產(chǎn)的過程中，徹底解決泄漏問題。在二十世紀(jì)80年代，我國在這方面大行的研究還是沒有成效。為了推行這項(xiàng)技術(shù)，國家開始要求一些企業(yè)學(xué)習(xí)吸納這項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的學(xué)習(xí)不僅能帶動(dòng)運(yùn)輸行業(yè)的前進(jìn)，還能解決人們生活中的很多問題。但是，夾具對解決泄漏問題有著至關(guān)重要的的地位。畢竟沒有碗誰也吃不了飯。所以說夾具的作用是相當(dāng)大的。國家的進(jìn)步離不開技術(shù)的引進(jìn)，我們應(yīng)該廣泛吸收其他國家的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從而提升我國的技術(shù)水平。1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.2.1國內(nèi)發(fā)展20世紀(jì)80年代，受國家經(jīng)委和中石化總公司委托，蘭化研究院已經(jīng)對這項(xiàng)技術(shù)成功研發(fā)了，并有了一整套針對泄露的帶壓堵漏技術(shù)?，F(xiàn)在此項(xiàng)技術(shù)正在快速發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來越廣。近些年來，天津翔悅密封材料有限公司等其他企業(yè)，作為國內(nèi)的代表企業(yè)為中國培養(yǎng)了一大批從事相關(guān)管理和施工作業(yè)的技術(shù)型人才。目前，國內(nèi)從業(yè)人員規(guī)模較大，已高達(dá)十萬余人，培訓(xùn)學(xué)員經(jīng)過培訓(xùn)考試，并已取得特種設(shè)備作業(yè)人員證的技術(shù)人員僅天津翔悅密封材料有限公司一家就高達(dá)4176人，他們在維護(hù)生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行和保障公司生產(chǎn)效益方面發(fā)揮著極其重要的作用，為企業(yè)設(shè)備安全運(yùn)行、企業(yè)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。1.2.2國外發(fā)展國外該技術(shù)起步較早，于1922年始于美國；英國人福斯哲于1929年取得技術(shù)使用權(quán)并成立了弗曼·奈特公司；應(yīng)用范圍已在上世六七十年代逐漸發(fā)展并擴(kuò)大。到現(xiàn)在為止，能夠進(jìn)行帶壓密封技術(shù)的除了中國，還有外國的幾家公司,他們的水平比較高，如圖1.1所示,Fabricom GDF SUEZ、Petroseal、Nicco Engineering Services、Unique Maritime和Furminite等。根據(jù)已知的資料已經(jīng)了解到這五家公司在使用密封劑以及提供其他幫助的地方都各有不同，而且在防止高溫方面，中國使用的密封劑是遠(yuǎn)高于美國的水平。圖1.1 國內(nèi)外壓力和溫度參數(shù)比較Fig.1.1 Pressure and temperature parameters at home and abroad1.3 項(xiàng)目簡介什么是異徑三通夾具？所謂的異徑三通就是流體介質(zhì)在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在某個(gè)位置向不同的方向流出。異徑就是流出管道的管道直徑不同。而所謂的夾具則是在泄漏缺陷部位形成密封空腔，對強(qiáng)度與剛度有一定保障的承壓金屬構(gòu)件。專用夾具是有本體耳板與緊固螺栓組成的，之前為解決用法蘭連接螺栓腐蝕而產(chǎn)生泄漏的問題，一般采用的措施是將腐蝕的螺栓更換掉，然后再用專用卡蘭將法蘭兩邊固定，再拿下那些壞的螺栓，換成新的螺栓。最后用法蘭夾具和密封劑堵住泄漏的地方，其實(shí)這樣做是十分不安全的。帶壓密封綜合這項(xiàng)技術(shù)主要有：固定在泄漏部位的夾具、添加到密封的空腔而形成的密封劑、專用注射密封劑的工具和為形成新的密封結(jié)構(gòu)采用的封堵操控技術(shù)。由此說來，本項(xiàng)目研究的前提是必須在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的殘缺，采用一種即不傷害到人，又能解決問題，同時(shí)能夠滿足螺栓腐蝕和線密封上的法蘭夾具。不過這種夾具的內(nèi)部與平時(shí)普通夾具的性能還有使用方法略有不同。先看看它的組成部分，它是本身就是一個(gè)圓柱形狀的夾具本身，而這種形狀的夾具起碼包括兩部分，同時(shí)在每一部分兩側(cè)上都設(shè)有一個(gè)耳板。夾具本身又有三部分組成，左右兩端和中間留出空間裝密封劑的部分。左右兩端的尺寸是根據(jù)泄漏管道的尺寸來定大小。耳板上設(shè)有螺栓孔，再根據(jù)管道內(nèi)的物體來設(shè)計(jì)專用的螺栓將整體連接起來。第二章泄漏與密封所謂的泄漏就是由于管道內(nèi)部或者環(huán)境因素導(dǎo)致管道爆裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就會(huì)造成我們的經(jīng)濟(jì)損失。如果嚴(yán)重的話，還會(huì)引起火災(zāi)、爆炸等人為災(zāi)害。為了預(yù)防、抑制這些現(xiàn)象的發(fā)生，就需要我們做好密封措施。2. 管道的泄漏2.1.1管道泄漏引發(fā)事故的比例如圖2.1所示，這是根據(jù)全球各種事故的發(fā)生統(tǒng)計(jì)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)由于泄漏所造成的危害統(tǒng)計(jì)。圖2.1 泄漏引發(fā)結(jié)果的表現(xiàn)形式 Fig.2.1 The manifestation of the result of the leak2.1.2泄漏的危害泄漏的危害是相當(dāng)嚴(yán)重，特別是在工業(yè)上，不僅會(huì)造成材料和經(jīng)濟(jì)的損失，還會(huì)污染周圍環(huán)境。這種危害影響企業(yè)以后的工作安全，由于停工修理還會(huì)增加生產(chǎn)成本，降低為了的生產(chǎn)率。2.1.3管道泄漏的形式及其部位管道泄漏的形式主要有兩種：一種是焊縫缺陷引起的泄漏，另外一種是腐蝕引起的泄漏。1.焊縫缺陷引起的泄漏（1）夾渣：在焊接時(shí)，焊接部位焊入的非金屬物質(zhì)。因此，這個(gè)地方的應(yīng)力就會(huì)比較集中，就容易被破壞，如圖2.2所示。圖2.2 夾渣的表現(xiàn)形式Fig.2.2 The appearance of the slag（2）氣孔：在焊接時(shí)，焊接部位有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大小氣泡。這個(gè)地方就容易被破壞，如圖2.3所示。圖2.3 氣孔的表現(xiàn)形式Fig.2.3 The form of stomata（3）裂紋：冷卻收縮過程不均勻，收縮快的地方是由于該部位冷卻快，反之，是由于冷卻慢，冷卻的速度不等引起裂紋，如圖2.4所示。圖2.4 裂紋的表現(xiàn)形式Fig.2.4 The form of the crack（4）焊接錯(cuò)誤：將不應(yīng)該與不能焊接的管道焊接在一起，如圖2.5所示。圖2.5 焊接錯(cuò)誤示意Fig.2.5 welding error schematics2.腐蝕引起的泄漏 由于外部介質(zhì)引起的金屬破壞的過程稱為金屬腐蝕。分為兩種形式：一種是化學(xué)腐蝕，還有一種是電化學(xué)腐蝕。比如說空氣中的金屬腐蝕就是電化學(xué)腐蝕，分為以下5種如表2.1所示。表2.1 腐蝕樣式發(fā)大圖Table 2.1 A large image of the corrosion pattern腐蝕的形式均勻腐蝕應(yīng)力腐蝕點(diǎn)腐蝕晶間腐蝕氫腐蝕含義腐蝕表面大約都1mm，對設(shè)備威脅最小的腐蝕設(shè)備受力（拉力、壓力），同時(shí)受到腐蝕。某一區(qū)域嚴(yán)重腐蝕，另一區(qū)域程度低，區(qū)域很小稱為點(diǎn)腐蝕金屬是由晶體顆粒組成，晶體與晶體之間會(huì)產(chǎn)生腐蝕，晶粒之間易產(chǎn)生腐蝕高溫下氫原子會(huì)擴(kuò)散到鋼材內(nèi)部，氫氣分壓越高，氫原子向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散速度越快。放大圖2.2 密封技術(shù)2.2.1密封的含義1.密封定義：防止固體、液體、氣體在連接處發(fā)生泄漏問題，以及防止外界雜質(zhì)對該處的侵蝕。2.密封原理：密封件受外力的作用，與密封表面緊密接觸，從而達(dá)到密封的效果。如圖2.6：內(nèi)壓為P1，環(huán)境壓力為P2，內(nèi)外壓差為P= P1- P2。介質(zhì)泄漏由A點(diǎn)流到B點(diǎn)，阻力降為PAB，則：PAB> P1- P2時(shí)，設(shè)備不漏，PABP1- P2時(shí)，設(shè)備發(fā)生泄漏。 BP2P1A圖2.6 密封原理圖Fig.2.6 The principle diagram of the seal2.2.2靜密封1.靜密封的定義靜密封是指兩個(gè)連接件處于禁止?fàn)顟B(tài)沒有相對運(yùn)動(dòng)的的夾緊墊密封。根據(jù)材料墊片可分為：非金屬墊片、金屬墊片、復(fù)合墊片。根據(jù)結(jié)構(gòu)分為：靜密封的墊圈可分多平墊，梯形墊、錐形墊，液體密封墊等。不同的墊圈墊片有著不同的特點(diǎn)和適用環(huán)境，可根據(jù)不同壓力、不同溫度和不同性質(zhì)的介質(zhì)，選用不同的墊圈墊片。墊片墊圈的安裝對堵漏效果影響很大，如果選用不適合的墊片墊圈，就會(huì)很容易造成管道泄漏。2.靜密封處泄漏的形式圖2.7 墊片的泄漏圖Fig.2.7 The leak of the gasket靜密封處泄漏的形式只要分為兩種：界面泄漏、滲透泄露。所謂的界面泄漏就是介質(zhì)從密封件表面接觸到密封表面的一種泄漏。這種泄漏形式與密封表面粗糙度、墊片材料性能和質(zhì)量相關(guān)。如圖2.7所示，在1、3處產(chǎn)生的泄漏。滲透泄漏是指介質(zhì)在密封墊的孔隙中的滲透。墊片是由植物纖維、動(dòng)物纖維和礦物纖維材料制成的，介質(zhì)很任意從中間穿出，從而產(chǎn)生泄漏。如圖2.7所示，在2處產(chǎn)生的泄漏。3. 密封墊片密封墊片是法蘭密封的主要元件之一。墊片的變形和回彈力是保證法蘭密封的主要條件。根據(jù)墊片的形狀可以分為以下幾種，如表2.2所示表2.2 墊片斷面形狀Table 2.2 Shape of gasket section類別材料用途纖維植物纖維棉、麻、紙、軟布墊片、軟填充、防塵密封件、夾布橡膠密封件動(dòng)物纖維毛、氈、皮革墊片、軟填料、成型填料、油封、防塵密封件礦物纖維石棉墊片、軟填充人造纖維有機(jī)合成纖維、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維軟填充、夾布橡膠密封件工程陶瓷氧化陶瓷、滑石瓷、金屬陶瓷、氧化硅、硼化鉻金屬有色金屬銅、鋁、鉛、錫、金及其合金墊片、軟填充、機(jī)械密封、迷宮密封、硬填料、浮環(huán)密封黑色金屬碳鋼、鑄鐵、不銹鋼、堆焊合金、噴涂粉末墊片、硬填料、機(jī)械密封、活塞環(huán)、浮環(huán)密封、防塵密封、成型密封件硬質(zhì)合金鎢鈷硬質(zhì)合金、鎢鈷鈦硬質(zhì)合金機(jī)械密封4. 密封原理如圖2.8所示，由于墊圈是不會(huì)產(chǎn)生塑性變形和彈性變形的，因此介質(zhì)很容易在界面的地方發(fā)生泄漏。將墊片放在密封件上時(shí)，由于受到擠壓力的作用，墊片就會(huì)發(fā)生變形，隨著壓力的不斷增加，密封壓力逐漸增大。墊片的變形，開始逐步墊表面變形，擠壓成致密的蓋槽，填滿山谷，阻止介質(zhì)滲透的界面。在墊片的作用下，在一定的塑性變形下，還具有一定的彈性變形，當(dāng)密封面受某些因素影響時(shí)，間距變大，墊片具有回彈性和變厚，填充密封面變大，防止介質(zhì)從接口泄漏。圖2.8 墊片的密封機(jī)理Fig.2.8 Sealing mechanism of gasket+第三章異徑三通泄漏夾具的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 管道夾具簡介3.1.1夾具的作用為解決用法蘭連接螺栓腐蝕而產(chǎn)生泄漏的問題，一般采用的措施是將腐蝕的螺栓更換掉，然后再用卡蘭將法蘭兩邊固定，再拿下那些壞的螺栓，換成新的螺栓，最后用法蘭夾具和密封劑堵住泄漏的地方，其實(shí)這樣做是十分不安全的。如果管道有較高的內(nèi)壓時(shí)，調(diào)換腐蝕螺栓易造成管道結(jié)構(gòu)爆裂，如果管道內(nèi)是有毒有害氣體、液體，或者管道是在高溫高壓的環(huán)境下，那么管道爆裂產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國每年都會(huì)發(fā)生由于螺栓腐蝕堵漏所產(chǎn)生的人員傷亡事故。為解決介質(zhì)泄漏問題，目前，帶壓密封技術(shù)是一種的有效方法措施。但是，在解決時(shí)候會(huì)遇到各種各樣的工況與繁瑣的問題，運(yùn)行中準(zhǔn)確地避免裝置泄露的問題，避免資源能源浪費(fèi)和安全事故出現(xiàn)是很必要的。但是，普通的法蘭夾具根本無法徹底根治腐蝕和泄露問題的。所以，設(shè)計(jì)該夾具，不僅安全可靠，還能夠在不更改原來密封原理的前提下，把泄露的部位成功地修復(fù)。隨著帶密封技術(shù)的逐漸成熟與發(fā)展，夾具的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。而我研究的主要方向就是異徑三通管泄漏夾具。所以這里給大家介紹下異徑三通管道泄漏夾具的組成、結(jié)構(gòu)，并且通過現(xiàn)有的專業(yè)知識對其各參數(shù)進(jìn)行公式推導(dǎo)，來確定所需直管泄漏夾具的尺寸，為接下來的繪圖奠定基礎(chǔ)。3.1.2夾具的組成夾具又稱帶壓封堵，如圖3.1所示，圖3.1 夾具的組成Fig.3.1 The composition of jig3.1.3腐蝕夾具結(jié)構(gòu)圖圖3.2 夾具三維造型圖Fig.3.2 3d modeling of fixture圖3.3 夾具三維實(shí)體圖Fig.3.3 Fixture 3d entity diagram圖3.4 夾具局部放大圖Fig.3.4 Fixture local enlarged drawing 圖3.5 夾具視圖Fig.3.5 Fixture view3.2 異徑三通泄漏夾具各參數(shù)的設(shè)計(jì)3.2.1異徑三通泄漏夾具輪廓尺寸的設(shè)計(jì)1.主管管段夾具內(nèi)徑的確定管道最外面的直徑就是泄漏管的外徑，這里用Da表示。注劑層的厚度，即夾具的空腔高度H，是設(shè)計(jì)者自己定的，一般取5到20。 介質(zhì)溫度和壓力均較低時(shí)，可取較小值；介質(zhì)溫度和壓力均較高時(shí)，可取較大值。如圖3.6所示，A處的尺寸就是主管管段夾具內(nèi)徑。計(jì)算內(nèi)徑D為： D=Da+2×H mm。圖3.6 主管管段夾具內(nèi)徑Fig.3.6 Supervisor section fixture diameter2.夾具壁厚S的確定如圖3.7所示圖3.7 夾具的壁厚Fig.3.7 The fixture of wall thickness(3.1)式中：Pc-夾具設(shè)計(jì)壓力，單位：MPat-在溫度作用下物體的許用應(yīng)力，單位：MPa-夾具本體焊接系數(shù)；D-夾具本體計(jì)算直徑，單位：mm若算出的數(shù)值小于14mm，則取14mm.若大于14mm，則取計(jì)算值，并取為整數(shù)。下面會(huì)具體介紹它的計(jì)算方法。3.夾具外徑的確定由圖3.6、3.7可知，夾具的外徑是泄漏管道的外徑加上2倍的壁厚S。 即D2 =D+2S (3.2)4.夾具長度L的確定夾具必須將泄露處包住，為了安裝方便，兩側(cè)都應(yīng)該留出適當(dāng)?shù)挠嗔?，一般端板?nèi)側(cè)距孔的邊緣不小于15mm，。再加上兩倍端封板厚度（端板厚度=1.3S1.5Smm），夾具長度L就確定了。如圖3.8所示。圖3.8 夾具的長度Fig.3.8 The length of the clamp5.端板上圓孔尺寸的確定端板上圓孔的尺寸實(shí)際上就是泄漏管的外徑，如圖3.6所示，A出的直徑就是端板上圓孔外徑。如果取小了就會(huì)安裝不上。必須在不同的位置測量泄漏管的外徑，取其中最大尺寸作為端板的開孔尺寸。若還是相差比較大，就需要在端板內(nèi)孔開槽，放入橡膠條或軟金屬條，來保證尺寸的精度。6.夾具的軸向長度L其軸向長度與夾具長度相等，這樣做主要是為了安裝方便，故應(yīng)焊有連接耳板，如圖3.9所示，圖3.9 夾具的軸向長度Fig.3.9 The length of the shaft of the fixture7.注劑孔為了使密封更加完善，必須設(shè)計(jì)組劑孔。根據(jù)夾具的尺寸結(jié)構(gòu)大小來設(shè)置注劑孔的數(shù)量，兩孔之間的距離應(yīng)小于100mm。如圖3.10所示，圖3.10 注劑孔Fig.3.10 Agent injection hole8.兩端板的外徑一般情況下，兩端板的外徑就是夾具的外徑，也就是焊在最兩端外側(cè)的直徑。有些時(shí)候也可以是夾具內(nèi)徑，即焊在兩端內(nèi)側(cè)。如圖3.11所示，B出的直徑就是焊在最兩端外側(cè)。圖3.11兩端板的外徑Fig.3.11 The outer diameter of both sides3.2.2異徑三通管道選取根據(jù)表3.1異徑三通規(guī)格選取管道規(guī)格（摘自GB/T12459-1990）。這里我們選用的是25×25×15的規(guī)格。表3.1 異徑三通管道選取Table 3.1 Select reducing tee pipe公稱通徑DN端 部 外 徑中心至端面尺寸D1D2CMA系列B系列A系列B系列20×20×1526.92521.318292925×25×2033.73226.925383825×25×1533.73221.318383832×32×2542.43833.732484832×32×2042.43826.925484832×32×1542.43821.318484840×40×3248.34542.438575740×40×2548.34533.732575740×40×2048.34526.925575740×40×1548.34521.318575750×50×4060.35748.345646050×50×3260.35742.438645750×50×2560.35733.732645150×50×2060.35726.92564443.2.3耳板厚度計(jì)算1.應(yīng)用公式 （3.3）式中：t-耳板厚度，單位：mm；L-耳板螺栓孔中心到夾具外表面距離，根據(jù)擺放的位置來確定，單位：mmC-密封空腔寬度，單位：mm；D-夾具計(jì)算直徑，單位：mm；b-耳板寬度，根據(jù)擺放的位置來確定，單位：mm；：t-溫度作用下材料許用應(yīng)力，單位：MPa。2.耳板厚度設(shè)計(jì)如圖3.12所示，t為耳板的厚度。圖3.12 耳板厚度設(shè)計(jì)圖Fig.3.13 The thickness of the ear plate is shown由材料力學(xué)基本公式，推導(dǎo)耳板厚度。其彎曲力矩公式：M=F*L/2 單位：kg.cm （3.4）式中：F-耳板作用力，其中F=CPcD，單位：N；L-彎曲作用力臂，其中L=L1，單位：cm；耳板承受彎曲應(yīng)力為： （3.5）式中：-彎曲應(yīng)力；M-彎曲力矩；Z-抗彎截面系數(shù)，如果截面形狀為矩形,則假設(shè)b為構(gòu)件寬度；t=構(gòu)件厚度，IZ=慣性矩整理得: (3.6) (3.7) (3.8)式中：t-耳板最小厚度，單位：mm；C-密封腔寬度，當(dāng)管段采用夾具時(shí)，C為空腔寬度；Pc-設(shè)計(jì)壓力，單位：MPa；D-夾具計(jì)算直徑，當(dāng)管段采用夾具時(shí)， D為管道外徑+2倍空腔高度；當(dāng)采用法蘭夾具時(shí)，D為法蘭外徑，單位：mm；b -耳板寬度，單位：mm； L1 -耳板螺孔中心至夾具最外面的間隔，單位：mm； t -耳板所處溫度下的許用應(yīng)力，單位：MPa。4.耳板的樣式并列式，如圖3.13所示.圖3.13 并列式雙螺栓耳板尺寸示意圖Fig.3.13 Juxtaposition type double bolt ear plate size schematic （3.9）4. 耳板螺孔設(shè)置如圖3.14所示,一般情況下只設(shè)置兩個(gè)，特殊時(shí)候需要設(shè)置多個(gè)。圖3.14 耳板螺孔設(shè)置圖Fig.3.14 Ear plate screw hole setup3.2.4連接螺栓1.夾具的螺栓的要求連接螺栓性能等級，需選用不低于8.8級的雙頭螺栓。如表3.2所示表3.2 螺栓的分類Table 3.2 The classification of the bolt 螺栓分類普通螺栓高強(qiáng)度螺栓螺栓性能的等級3.64.85.66.88.8及以上公稱抗拉強(qiáng)度300Mpa級400Mpa級500 Mpa級600 Mpa級屈強(qiáng)比值0.80.80.60.8公稱屈服強(qiáng)度240Mpa320Mpa300 Mpa480 Mpa螺栓性能等級是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)，具有相同性能等級的螺栓。材料和場地的差異不會(huì)影響其性能，只需設(shè)計(jì)的時(shí)候選用相應(yīng)的性能等級就可以了。以上的強(qiáng)度等級為6.8級和9.8級，就是指螺栓的抗剪切應(yīng)力等級（材料許用剪應(yīng)力）為8.8GPa和10.9GPa。2.連接螺栓計(jì)算 (3.10)式中：d-連接螺栓的螺紋小徑，單位：mm；C-與耳板選用的密封腔寬度相同，單位：mm；Ck-剛度和預(yù)緊系數(shù)，Ck1.5；D-與耳板選用的計(jì)算直徑相同，單位：mm；n-夾具連接螺栓條數(shù)；t-溫度作用下材料的許用應(yīng)力，單位為：MPa；根據(jù)小徑d，查螺紋標(biāo)準(zhǔn)GB/T 196-2003得到。圖3.15 螺栓連接示意圖Fig.3.15 Bolt connection schematic螺栓小徑的計(jì)算公式:(3.11)式中：F-構(gòu)件承受的拉力，F(xiàn)=CDPcNS-單根螺栓截面積，單位：mm2 -材料的應(yīng)力,N/m2=Pa或N/mm2=MPa帶入公式3.21的:(3.12)式中：n-夾具連接螺栓數(shù)量(3.13)(3.14)將Ck=1.5帶入得(3.15)3.夾具連接螺栓小徑的計(jì)算(3.16)式中：d-螺栓小徑，單位：mm；C-密封腔寬度，單位：mm；Ck-剛度和預(yù)緊系數(shù)；n-螺栓條數(shù)；t 螺栓處于溫度下的許用應(yīng)力；如下表3.3所示，螺栓的選擇規(guī)格，這里選擇M12的規(guī)格。表3.3 夾具連接螺栓與相關(guān)尺寸 單位：mmTable 3.3 Fixture joint bolts and related dimensions Unit：mm螺栓規(guī)格螺孔直徑墊圈直徑墊圈半徑螺母六角對角尺寸L1取值(不計(jì)坡口)雙螺栓最小中心距備注M81018914.381026一般不用在夾具上M1012221117.771230一般不用在夾具上M12142512.520.031432M1416281423.361636M1618321626.751838M2022381932.952246M2224422137.292452M24264522.539.5526563.3 異徑三通泄漏夾具及螺栓的計(jì)算與繪制3.3.1泄漏點(diǎn)的工況參數(shù)經(jīng)過上述各公式的推導(dǎo)與確定，我們便可以設(shè)計(jì)并確定出直管泄漏夾具的結(jié)構(gòu)。表3.4即為在現(xiàn)場測量出來的某管道的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來確定直管泄漏夾具的最終尺寸。表3.4 管道夾具泄漏介質(zhì)參數(shù)Table 3.4 The leak medium parameter of the pipe介質(zhì)名稱壓力/Pa溫度/管道直徑mm閃點(diǎn)/自燃/爆炸極限(v%)水蒸汽223025×25×15上限下限3.3.2異徑三通泄漏夾具相關(guān)尺寸的確定如圖3.16所示,本體選用Q235-B鋼材，t=105MPa。設(shè)密封腔高度=10mm，螺栓選用35CrMoA，t=179MPa現(xiàn)場測量：主管外徑Da=25mm，支管外徑Db=18mm.；焊接系數(shù)=1設(shè)計(jì)壓力Pc=PL+5；Pc=2+5=7MPa。圖3.16 異徑三通管泄漏夾具示意圖Fig.3.16 Different diameter three-way pipe leak fixture schematic(1)夾具的內(nèi)徑主管夾具內(nèi)徑Da=25+2S=53mm，支管夾具內(nèi)徑Db=18+2S=46mm(2)夾具的外徑 夾具外徑為：D1=Da+2S=81mm ，D2=Db+2S=74mm(3)夾具的本體厚度 S將P=7Mpa，Di= Da =53mm，=105，=1帶入得：夾具最小厚度不小于14mm，取S=14mm(4)夾具的長度L夾具的長度一定要能包容泄漏點(diǎn)，并且兩側(cè)均有適當(dāng)?shù)挠嗔?，一般端板?nèi)側(cè)距孔的邊緣不小于15mm。這樣，L的最小值就能確定了。(5)夾具端板厚度YY=1.4×S=1.4×14=20mm(6)螺栓小徑d將Ck=1.5，C=48mm，Pc=7Mpa，n=4，=179，帶入得：=6.89mm從螺栓尺寸標(biāo)準(zhǔn)表查出，應(yīng)選4個(gè)M12的8.8級雙頭螺栓。(7)耳板厚度t將C=48，L=18mm，Pc=7Mpa，D=53，b=36，=105，帶入得：取t=11mm.3.3.3根據(jù)各數(shù)據(jù)繪制異徑三通泄漏夾具及裝配CAD根據(jù)上一節(jié)的數(shù)據(jù)，繪制CAD圖。圖3.17 夾具主視圖Fig.3.17 Master view of fixture圖3.18 夾具左視圖Fig.3.18 The left view of the fixture圖3.19 夾具俯視圖Fig.3.19 Jig top view圖3.20 裝配主視圖Fig.3.20 Assembly main view圖3.21 裝配左視圖Fig.3.21 Assemble left view圖3.22 裝配俯視圖Fig.3.22 Assemble plan view第四章異徑三通泄漏夾具的建模與分析經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，我們就可以繪制出該工況下的直管泄漏夾具的圖形。先通過UG繪制出其的三維模型，為了驗(yàn)證該泄漏夾具在現(xiàn)實(shí)中的可行性，我們在考慮溫度、壓力的情況下，對其進(jìn)行有限元分析，從而得出它的剛度圖與強(qiáng)度圖，判斷該泄漏夾具的實(shí)際可行性。4.1 UG的應(yīng)用4.1.1UG簡介UG（Unigraphics）是運(yùn)用數(shù)字建模和驗(yàn)證工具對Product Project提供一種處理方法，可以進(jìn)行以下分析：The Product Design（產(chǎn)品設(shè)計(jì)）和Manufacturing process（制造工藝），Virtual product design（虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)）和Process design（工藝設(shè)計(jì)）以及為UG用戶需求提供了有效的解決方法。UG就是一個(gè)用戶指南（User Guide）和通用語法（Universe Grammar）的縮寫。作為一個(gè)能與CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）與CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）系統(tǒng)相互聯(lián)系的軟件，對于各種復(fù)雜的物理建模(Physical Modeling)和建設(shè)(Physical Construction)都能完成。在三維設(shè)計(jì)軟件中，UG有著舉足輕重的地位，隨著PC硬件和個(gè)人用戶的不斷發(fā)展，PC上的應(yīng)用程序和模具工業(yè)都在迅速提升。4.1.2UG繪制異徑三通泄漏夾具及其他部件圖4.1 異徑三通管道圖Fig.4.1 A three-way channel diagram 圖4.2 異徑三通泄漏夾具圖Fig.4.2 A three-way leak fixture diagram 圖4.3 螺栓與螺母圖Fig.4.3 drawings of Bolts and nut 圖4.4 注劑閥Fig.4.4 Agent injection valve圖4.5 異徑三通夾具密封圖Fig.4.5 Reduced-diameter three-way clamp4.2 ABAQUS的應(yīng)用4.2.1ABAQUS的簡介ABAQUS作為一個(gè)多用途的工程有限元分析軟件，應(yīng)用范圍很廣，主要在機(jī)械、電子、土木工程的行業(yè)的結(jié)構(gòu)與場分析，它可以駕馭各種各樣難度大的非線性問題。ABAQUS擁有一個(gè)強(qiáng)大的材料模型庫，不僅可以模擬單元庫內(nèi)隨意一個(gè)幾何形狀，同時(shí)還可以將各種工程材料的用途進(jìn)行模擬。這些工程材料主要有金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等等。雖然只是一個(gè)簡單的模擬工具，但它卻解決了大量的應(yīng)力與位移上的問題，還能分析很多工程范圍內(nèi)的情況，比如熱傳導(dǎo)，熱耦合分析等等。雖然目前有很多有限元分析軟件，但是，ABAQUS是一個(gè)唯一被大家認(rèn)同的。因?yàn)樗梢詫α慵牧W(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，尤其是對高難度的非線性問題的仿真。由于ABAQUS具有很好的分析能力和對難度大的系統(tǒng)的正確的仿真能力，使其在我國各項(xiàng)工業(yè)和研究中得到很好的運(yùn)用。ABAQUS的出現(xiàn)對高科技的生產(chǎn)有了很大的幫助，推動(dòng)了國家先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。 4.2.2強(qiáng)度與剛度材料在外力作用下，所能承受破壞的能力稱為強(qiáng)度。一般情況下，強(qiáng)度的大小只跟材料本身的性質(zhì)和受力方式相關(guān)，與它的形狀無關(guān)。材料在外力的作用下，抵抗變形能力稱為剛度，即材料由于變形所產(chǎn)生的力。剛度分為靜剛度和動(dòng)剛度。一般來說，剛度的大小構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的截面形狀、材料本身的性質(zhì)有關(guān)。宏觀的來說，就是引起單位位移的力。剛度的倒數(shù)稱為柔度，單位力引起的位移。抵抗塑性變形的能力稱為強(qiáng)度，材料發(fā)生彈性變形的難易程度稱為剛度。這里以鋼材的應(yīng)力為例：圖4.6 鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.4.6 Strain diagram of steel stress4.2.3異徑三通泄漏夾具的有限元分析圖4.7 異徑三通泄漏夾具的強(qiáng)度圖Fig.4.7 The strength diagram of a three-way leak fixture圖4.8 異徑三通泄漏夾具的剛度圖Fig.4.8 The stiffness diagram of a three-way leak fixture第五章結(jié)論5.1 項(xiàng)目成果本項(xiàng)目研究對象為輸送水蒸氣的異徑三通封閉管道，該案例是對這個(gè)對象的密封效果。通過有限元分析異徑三通泄漏夾具，可以看出該方法主要是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為異徑三通管道提供一種安全可靠的泄漏夾具。設(shè)計(jì)本夾具能夠在不改變原密封結(jié)構(gòu)的前提條件，更加安全便捷的進(jìn)行密封。5.2 項(xiàng)目的價(jià)值要想解決用法腐蝕而產(chǎn)生泄漏的問題，一般采用的措施是將腐蝕的螺栓更換掉，然后再用卡蘭將法蘭兩邊固定，再拿下那些壞的螺栓，換成新的螺栓，最后用法蘭夾具和密封劑堵住泄漏的地方，其實(shí)這樣做是十分不安全的。如果管道有較高的內(nèi)壓時(shí)，調(diào)換腐蝕螺栓易造成管道結(jié)構(gòu)爆裂，如果管道內(nèi)是有毒有害氣體、液體，或者管道是在高溫高壓的環(huán)境下，那么管道爆裂產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國每年都會(huì)發(fā)生由于螺栓腐蝕堵漏所產(chǎn)生的人員傷亡事故。我們必須做好準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，避免安全事故的發(fā)生。異徑三通夾具對管道起到很好的保護(hù)作用，當(dāng)往密封孔內(nèi)注入密封劑后能有效地避免螺栓由于強(qiáng)大的外力而被拉斷。還有就是，本項(xiàng)目研究涉及理論力學(xué)，材料力學(xué)有限元分析、壓力容器結(jié)構(gòu)與制造、金屬的腐蝕與防護(hù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等單元理論和方法。這項(xiàng)目對于機(jī)械專業(yè)學(xué)生來說，可以鞏固科學(xué)基礎(chǔ)知識，也能夠熟練運(yùn)用CAD、UG等各種繪圖軟件，并能夠通過ABAQUS對模型可以進(jìn)行有限元分析，從而把理論知識應(yīng)用到實(shí)際問題上。目前，帶壓密封技術(shù)是一種的有效方法措施。但是，在解決時(shí)候會(huì)遇到各種各樣的工況與繁瑣的問題，運(yùn)行中準(zhǔn)確地避免裝置泄露的問題，避免資源能源浪費(fèi)和安全事故出現(xiàn)是很必要的。但是，普通的法蘭夾具根本無法徹底根治腐蝕和泄露問題的。所以，設(shè)計(jì)該夾具，不僅安全可靠，還能夠在不更改原來密封原理的前提下，把泄露的部位成功地修復(fù)。隨著帶密封技術(shù)的逐漸成熟與發(fā)展，最主要的是夾具的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 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姜繼海、宋錦春液壓與氣壓傳動(dòng)M2版.北京：高等教育出版社，2009.致謝經(jīng)過幾月的奮戰(zhàn)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在此期間，得到了很多人的幫助，特別感謝朱培浩老師的細(xì)心指導(dǎo)，感謝曾經(jīng)在各個(gè)方面給予過我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，正是因?yàn)橛辛四銈兊膸椭?，才讓我不僅學(xué)到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是團(tuán)結(jié)的力量。感謝學(xué)校給予我這樣一次機(jī)會(huì)，能夠獨(dú)立地完成這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，作為檢驗(yàn)這些年來學(xué)習(xí)的成果,在這個(gè)過程當(dāng)中，能夠更多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動(dòng)手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。再一次對你們表示感謝。在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對這幾年來所學(xué)知識的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)?？傊谡麄€(gè)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)和論文完成的過程中，我體會(huì)到的是實(shí)踐的艱辛和收獲的充實(shí)，感受到的是一種堅(jiān)持不懈、契而不舍的科研精神。對我以后的深造學(xué)習(xí)有重要的意義。34