梁小冬，孙野
一种楔形自紧式承压电缆法兰
梁小冬，孙野
（西北核技术研究所，陕西 西安 710024）
在某爆炸实验中，爆室与室外的穿线管法兰盘承受管道内部最高16 MPa的瞬时压强，为确保内部电缆在爆炸过程中有很好的抗冲击效果，设计了一种自紧式法兰。先对该自紧式法兰进行结构设计，并对内部楔形块与电缆进行理论受力分析与有限元仿真分析，同时对选用8.8级连接螺栓进行强度校核，最后利用拉力计对该自紧式法兰进行拉力实验，并对理论计算值、仿真值和实验值进行分析。在实际应用中，该穿线管法兰满足了耐压强度要求，达到了预期的抗压效果。
自紧式法兰；承压电缆；连接螺栓
某过墙管道穿线管法兰盘要求能够承受管道内气体最高16 MPa的瞬时压力，并且要求电缆不被瞬时高压冲出，为此，本文设计了一种楔形自紧式的法兰结构。
1 穿线管法兰结构设计
如图1所示，其中楔形块为聚氯乙烯材质。利用紧固头2与法兰盘外侧穿线管间的螺纹连接实现紧固头1、楔形块轴向相对位移并压紧楔形块，获得法兰盘外侧穿线管与楔形块的过盈结合，因聚氯乙烯材质有较好的延展性，从而挤压固定电缆，避免电缆不被瞬时高压冲出。
2 理论计算
由图1（a）可知，该穿线管法兰主要依靠楔形块挤压施加的摩擦力抵抗管道内的压力，因此对楔形块的力学分析十分必要。
图1 穿线管结构及实体示意图
2.1 受力分析
楔块整体及局部受力分析如图2所示。
F为螺纹预紧力，kN；α、β为上下斜面倾角，°；f为电缆受到的摩擦力，kN；f0为紧固头1斜面受到的摩擦力，kN；f1为楔块下斜面受到的摩擦力，kN；F1为电缆对楔块的支持力，kN；FN0为紧固头1斜面受到的支持力，kN；FN1为楔块下斜面受到的支持力，kN
假设楔块与紧固头1及穿线管斜面之间的摩擦系数为1，楔块与电缆之间的摩擦系数为0，则：
0＝1F0
1＝1F1
＝01
由于、F1和1在竖直方向上的自平衡,根据图2（a）中方向的平衡可得：
＝F1sin＋1cos
解得：
根据图2（b）中方向上平衡可得：
F0cos＝0sin
解得：
tan＝1/1
根据图2（a）中方向上平衡可得：
1＋1sin＝N1cos
解得：
式中：为扭紧力矩，N·m；为扭矩系数，取0.2；为螺栓大径，mm。
则电缆所能承受的最大拉力即楔块与电缆之间的摩擦力为：
2.2 数值模拟分析
由于紧固时电缆主要受楔形块长锥面的压力，为减少ANSYS WorkBench仿真计算量，便于仿真分析，对楔形块进行简化，去除楔形块长锥面以外的部分，简化模型如图3所示。
图3 模型简化图
由于电缆承压面为外侧橡胶，仿真时，在工程材料库中勾选PVC和Rubber两种材料，并将其分别添加到楔块和电缆。施加固定约束于楔块末端；外加作用力作用于垂直锥面的压强，大小为20 MPa。为获得楔块与电缆间的接触压力，选择接触工具，在楔块与电缆间添加接触压力。生成网格如图4所示，楔块对电缆的压力分布如图5所示。
图4 模型网格图
图5 电缆承压分布图
从图5可以看出，当在楔形面施加压强后，由于变形会对电缆线产生压紧力，其压强最大为56.4 MPa，为保证正确计算接触面压紧力大小、反映压强强度，选择幅值平均值、均方根值对接触面压强进行数据处理，将其平均化。
幅值平均值为：
均方根值为：
导出ANSYS WorkBench压强分布数据，按式（1）、式（2）对接触面压强进行分析，其中幅值平均值所得结果为23 MPa，均方根值结果为26.5 MPa，根据保守计算，选择接触面的压强为23 MPa。
2.3 螺栓强度校核[1]
为确保承受住16 MPa瞬时压力，管道法兰与法兰盘间采用8.8级M18螺栓、螺母连接，根据《机械设计手册》（第2卷），则屈服强度σ＝640 MPa，许用应力[]＝σ/S＝320 MPa，取安全系数S＝2。
螺栓组载荷为：
式中：为管道直径，mm，＝80；为瞬时压力，MPa，＝16。
每个螺栓轴向载荷为：
式中：为螺栓数，＝6。
螺栓所受总载荷为：
式中：F'为残余预紧力，kN；为受轴向力紧螺栓所须残余预紧力系数，取＝1.6。
则受轴向载荷紧螺栓连接，应力为：
式中：1为螺纹小径，mm，1＝15.294。
经计算，＝247 MPa＜[]，满足螺栓强度要求，能够达到安全使用的目的。
2.4 拉力实验
为验证该穿线法兰结构的自紧性能，采用拉力计对其进行拉力测试。利用扭力扳手给紧固头2施加150 N·m的拧紧力矩，并竖直固定好法兰，外侧电缆穿过拉力计夹具，末端用锁孔夹紧固定，防止滑脱，按动手柄给电缆施加拉力，实验如图6所示。
图6 拉力测试实验图
实验测得电缆被拉动的最大拉力为2.7 kN，理论计算值5.9 kN，仿真计算值6.3 kN。实验过程中，电缆受到较大拉力，变细，导致楔形块与电缆接触缩小、摩擦力减小，理论计算与仿真未考虑变形，所以实验值相比理论计算和仿真值偏小。此外，实际作业环境中管路最大压强16 MPa，作用于电缆横截面，经计算产生的最大推力为1.26 kN，远小于实验值，经过操作该自紧式穿线法兰，能够满足实际作业要求。
3 结论
针对某穿线管法兰盘要求能够承受管道内最高16 MPa的瞬时压力且内部电缆也有很好的抗冲击效果的特殊要求，设计了一种自紧式穿线管法兰，理论和仿真计算及实验结果表明，该法兰及其选用的配套螺栓能够满足实际强度要求。该穿线管法兰结构简单，装拆方便，能够重复使用，实际应用中达到了预期抗压效果。
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A Wedge Self-tightening Flange for Pressing Cable
LIANG Xiaodong，SUN Ye
( Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi'an 710024,China)
In an explosion experiment, a threading flange requires to bear the pressure up to 16 MPa between the burst chamber and the outdoor. In order to ensure that the cable has a good impact effect inside the pipe, then designing a self-tightening flange. In this paper, carrying out the structural design of the self-tightening flange firstly, carrying on the theoretical analysis and finite element analysis of the internal wedge and cable. At the same time, checking the strength of the 8.8 grade connecting bolts. Finally, doing the tensile test and analyzing the theoretical calculation, simulation and experimental values. In the practical application, the threading flange has satisfied the compressive strength requirements and achieved the expected compressive effect.
self-tightening flange；pressing cable；connecting bolt
TH164
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.014
1006－0316 (2018) 05－0052－04
2017－10－23
梁小冬（1988－），江苏东台人，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向为机械设计。
