黄小兵　刘 富

(1. 攀枝花学院机械工程学院， 四川 攀枝花 617000； 2. 西华大学机械工程学院， 成都 610039)



外钳式管道坡口机定圈的有限元分析及结构优化

黄小兵1,2刘 富2

(1. 攀枝花学院机械工程学院， 四川 攀枝花 617000； 2. 西华大学机械工程学院， 成都 610039)

摘要：外钳式管道切割坡口机是油气集输与抢险作业的重要设备，而定圈是外钳式管道切割坡口机的核心部件，其截面形状及大小是影响外钳式管道坡口机可靠性和便携性的关键因素。为此，采用现代设计手段，建立了定圈的三维计算模型，并按照设备在工作中的受力情况进行有限元分析，对不同截面形状和面积的定圈进行结构对照优化。结果表明：合理的定圈截面形状不仅可有效提高定圈的刚度，增加设备的可靠性，同时还能减小定圈重量，提高携带性能。

关键词：外钳式； 坡口机； 定圈； 有限元； 结构优化

外钳式管道切割坡口机是油气集输与抢修作业领域的重要的管道切割设备，具有体积小、质量轻、携带方便的特点，广泛应用于油气集输与长输、城市燃气、给排水等施工及抢险作业中。定圈作为坡口机的关键部件，对坡口机的安装固定、管道的切削效果起到至关重要的作用[1-2]。坡口机机身采用对开剖分式结构，可以与两瓣定圈螺纹联接的紧固螺栓装置联合使用，方便在管道的任何部位进行装夹固定[3-8]。坡口机在切削过程中，定圈承受着安装支撑螺栓上的预紧力和动圈带来的扭矩等载荷，在管道圆周方向上容易产生一定幅度的径向摆动，从而影响管道坡口机的工作质量和效率。增加定圈截面面积可提高系统刚度，但增加的重量又给安装调试带来了不便，影响工作效率。本次研究以一种常用的外钳式管道切割坡口机为研究对象，通过三维建模及装配，考虑定圈结构、安装载荷、工作载荷等情况，利用有限元理论对其进行静力学分析，并根据定圈的受力情况进行结构优化，减轻定圈重量，提高定圈的强度及可靠性。

1计算模型

根据平面问题的有限元理论[9-14]，考虑定圈结构为旋转类轴对称几何结构，可将其简化为二维平面问题，建立平面轴对称问题的有限元计算模型。

定圈微元平衡微分方程为：

(1)

定圈微元几何方程为：

(2)

定圈微元物理方程为：

(3)

式中：σr—— 径向正应力，MPa；

σθ—— 环向正应力，MPa；

σy—— 轴向正应力，MPa；

τyr—— 垂直于y轴沿r方向的剪应力，MPa；

y —— 轴向位移，m；

U —— 径向位移，m；

Qr—— 径向体力，N；

Qy—— 轴向体力，N；

E —— 弹性模量，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

考虑定圈采用开剖分式对称结构。有限元模型的计算容量、运行效率等情况，定圈的有限元模型可以简化成定圈的14模型。为真实方便地再现所承受的载荷，结合定圈承受的载荷特征，对定圈所承受载荷部位进行处理，得到简化后的模型，见图1。

图1　简化的定圈模型图

2.2预紧力与扭矩特性分析

(1)预紧力特性与转化。通过固定在定圈上的紧固螺栓装置，将坡口机安装固定在管道上。螺纹联接的公式如下：

(4)

式中：T —— 固定螺栓扳手的扭矩，N·m；

d2—— 螺栓的中径，mm；

Fp—— 螺栓的预紧力，N；

φ —— 螺纹升角，(°)；

ρv—— 螺纹当量摩擦角，(°)。

M16螺栓标准扭矩(Ma)与预紧力(Fp)的关系可描述为：

Fp=671+342Ma

(5)

结合定圈的有限元模型和预紧力特性，把预紧力转化为沿螺纹孔轴向向外拉的应力P1：

(6)

式中：d —— 螺纹孔径，mm。

(2)扭矩的特性与转化。在坡口机作业时，定圈受到动圈旋转带来的扭矩，结合建立的定圈有限元模型，把此扭矩转化为圆周方向的压应力P2：

(7)

式中：P2—— 应力，MPa；

P —— 电机传递的功率，kW；

S2—— 作用面积，mm2；

L —— 作用点离管道的距离，m。

以最常用的外钳式管道切割坡口机，切割管道直径为245~445 mm，定圈和紧固螺栓的材料为碳钢。

2.3网格划分与约束载荷的施加

考虑计算精度、计算容量和运行速度等因素，将定圈有限元模型的单元类型定为8节点185单元。结合模型结构，使用Smartsize进行自由网格划分。对所受应力部位进行人工调整，得到589 102个单元(图2)。对有限元模型的下截面、上截面、前表面施加相应的约束，对模型施加载荷。螺纹孔轴向向外的拉应力为102 MPa，圆周方向的压应力为 0.497 4 MPa。

图2　网格划分与约束载荷的施加图

2.4应力应变分析

图3 — 图4为定圈有限元模型应变云图。从图3a可知：模型最大应变出现在两瓣定圈结合处的内圈，应变量为0.128 534 mm；最小应变出现在螺栓孔与两瓣定圈结合处之间位置，应变量为 0.022 301 mm。从图3b可知：定圈有限元模型在两瓣定圈结合处的应变方向为径向向内；沿着定圈圆周顺时针方向，应力方向逐渐径向向外，在螺纹孔处应变方向为径向向外。分析可知固定在动圈上的刀具随变形后的定圈线框运动而运动。

从图4可知，最大的应力出现在两瓣定圈结合处和螺纹联接处，其值为为168.043 MPa，最小的应力为0.052 633 MPa。

图3　应变图

图4　应力云图

3结语

(1)根据坡口机定圈力学分析结果及其结构特点，重新设计坡口机定圈的横截面，减轻了定圈及整机的重量，提高了定圈及系统的刚度。

(2)提高坡口机工作刚度的主要方法是在结构设计时提高两瓣定圈的联接强度，取消定圈上的安装支撑缺口等。

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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

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0099-04

中图分类号：U175

作者简介：黄小兵(1974 — )，男，四川岳池人，博士，副教授，研究方向为机械工程。

基金项目：四川省人才培养基金项目“管道抢修关键技术”(0290200011)

收稿日期：2015-10-28