多輪加載下螺栓彈性交互作用試驗研究

多輪加載下螺栓彈性交互作用試驗研究

0螺釘預緊載荷的分析獲得均勻的預緊負荷是實現(xiàn)螺旋式密封系統(tǒng)長期密封的先決條件。由于工業(yè)上無法實現(xiàn)同時對所有螺栓直接施加軸向載荷,故普遍采用控制扭矩的方法對螺栓逐個加載,螺栓載荷的均勻性主要由兩個因素決定:扭矩轉化為螺栓軸向力的精度、依次加載過程中后加載螺栓對已加載螺栓載荷的影響。前者主要取決于加載工具及密封組件之間的摩擦,后者主要取決于螺栓的彈性交互作用。目前研究表明,由于彈性交互作用造成的螺栓載荷離散程度要超過摩擦。文中僅研究彈性交互作用,即在加載過程中監(jiān)控螺栓軸向力,使扭矩精確施加到螺栓上,研究依次加載過程中,螺栓之間的相互影響規(guī)律。影響螺栓彈性交互作用的因素有很多,如螺栓數(shù)目、法蘭規(guī)格、墊片型式及幾何尺寸、加載方式(加載順序、輪次、載荷增量)等,無疑增加了研究的難度。Campen首先提出由于所有螺栓并非同時加載,因此后續(xù)加載螺栓會改變已加載螺栓的載荷,即螺栓之間存在彈性交互作用,并提出采用彈性交互作用系數(shù)法獲得均勻預緊載荷。Bibel及Ezell采用一輪加載試驗,證實了彈性交互作用系數(shù)法的正確性。Nassar等學者利用五螺栓系統(tǒng)研究了彈性交互作用的影響因素,并建立了交互作用數(shù)學模型。謝林君等采用彈性交互作用系數(shù)法估算螺栓初始預緊載荷,獲得了較好結果。彈性交互作用系數(shù)法認為,加載螺栓的載荷變化與最終螺栓載荷存在線性關系,即:{Fvf}n×1-{Fvo}n×1=[A]n×n({Ftf}n×1-{Fto}n×1)(1)式中{Fvo}n×1,{Fvf}n×1——螺栓初始和最終載荷列矩陣{Fto}n×1,{Ftf}n×1——加載螺栓初始和最終載荷列矩陣n——螺栓數(shù)[A]n×n——彈性交互作用系數(shù)方陣,其元素由式(2)確定aij=fvfi?fvoiftfj?ftoj(2)aij=fivf-fivofjtf-fjto(2)式中aij——彈性交互作用系數(shù),表示加載j號螺栓的載荷增量與i號螺栓載荷變化量之比由式(1),(2)可知,要使用彈性交互作用系數(shù)法,必須首先通過試驗確定方陣[A]n×n。但由于方陣元素較多(n2個aij),且aij受加載輪次、加載次序、載荷增量的影響,導致[A]n×n較難確定。盡管Takaki等證實有限元方法也可得到[A]n×n,但是,從彈性交互作用規(guī)律入手,簡化彈性交互作用系數(shù)方陣及確定方法,是提高彈性交互作用系數(shù)法實用性的關鍵。采用8螺栓實驗裝置,研究了交叉和順次加載過程中螺栓彈性交互作用規(guī)律,依據(jù)規(guī)律提出了新的8螺栓加載方案,以簡化彈性交互作用系數(shù)矩陣,并利用簡化的彈性交互作用系數(shù)法獲得均勻的8螺栓目標載荷。由于螺栓預緊載荷均勻性影響因素多,文中提出的優(yōu)化加載方案在大型化螺栓法蘭系統(tǒng)中適用性需要進一步研究。文中工作還可為大型化螺栓法蘭系統(tǒng)有限元分析提供基礎及驗證數(shù)據(jù)。1螺栓載荷計算方法法蘭為WN100-4.0RF(HG20592—97),20鋼;螺栓為8根M20×110雙頭螺柱,材料35CrMoA。墊片為石墨填充金屬纏繞墊(簡稱SW,下同),內(nèi)徑Di=100mm,外徑Do=165mm,厚度t=3mm。螺栓載荷由電阻應變片實時監(jiān)測,每根螺栓使用2個應變片,沿軸線方向附于螺栓中部。將測量片與兩片溫度補償片以全橋方式接入電橋,以抵消彎曲的影響。研究交叉加載與順次加載兩種方案,加載順序如圖1所示。采用五輪加載使螺栓逐步達到設定預緊載荷,輪次z=1～5。每輪對全部螺栓施加相同目標載荷[Ft]z。[Ft]1=3kN,[Ft]2=6kN,[Ft]3=10kN,[Ft]4=15kN,[Ft]5=20kN。此方案下每輪次對應的載荷增量為[ΔF]1=3kN,[ΔF]2=3kN,[ΔF]3=4kN,[ΔF]4=5kN,[ΔF]5=5kN。2試驗結果與分析2.1螺栓與間位螺栓競爭載荷對比首輪目標載荷Ft=3kN。圖2示出了首輪加載時,①～⑧號螺栓載荷Fi與Ft比值的變化規(guī)律。圖2中,“op”代表對位螺栓,“ad”代表鄰位螺栓。圖2(a)示出首輪加載時螺栓①載荷變化。加載對位螺栓⑤,螺栓①載荷增大19%(與前一載荷相比,下同)。加載鄰位載荷②和⑧,螺栓①分別降低18%和24%。首輪加載后,螺栓①載荷由3kN變?yōu)?.33kN,損失了22%的目標載荷。其他螺栓具有類似規(guī)律。如圖2(b)所示,加載鄰位螺栓⑥和④,螺栓⑤載荷分別降低27%和30%。首輪加載后螺栓⑤損失了46%的目標載荷。如圖2(c)所示,加載對位螺栓⑦,螺栓③載荷增大15%,但加載鄰位螺栓②和④,螺栓③載荷分別降低27%和30%。其余螺栓載荷變化如圖2(d)～(h)所示,在此不再詳細敘述。可以看出,交叉首輪加載時,螺栓存在兩種彈性交互作用:增加螺栓載荷的作用定義為彈性交互正作用;降低螺栓載荷的作用定義為彈性交互負作用。由圖2可知,對位螺栓產(chǎn)生正作用,鄰位螺栓產(chǎn)生負作用。負作用效果強于正作用。間位螺栓具有正作用效果,但可以忽略。首輪過程中每個螺栓所受正作用和負作用次數(shù)不同。如圖2所示,螺栓①,③各受1次正作用和2次負作用,導致最終載荷比目標載荷低0.25和0.67kN;螺栓⑤,⑦各受2次負作用,最終載荷比目標載荷分別低1.38和1.43kN;螺栓②,④受1次正作用,最終載荷比目標載荷分別高0.41和0.17kN;螺栓⑥,⑧不承受交互作用,最終載荷與目標載荷相同。首輪交叉加載時交互作用規(guī)律使最終載荷分布呈現(xiàn)“W”形,如圖3所示。2.2螺栓受正作用次數(shù)首輪目標載荷Ft=3kN。圖4示出順次首輪加載時,①～⑧號螺栓載荷Fi與Ft比值變化規(guī)律。由圖4可知,對位螺栓的正作用和鄰位螺栓的負作用在順次加載中依然存在。負作用效果強于正作用。與交叉加載相比,順次加載間位螺栓的正作用效果更加明顯。不同螺栓受到的正負作用次數(shù)不同。早加載螺栓所受正作用次數(shù)多。例如,螺栓①,②受5次正作用,螺栓③為4次,螺栓④為3次,螺栓⑤為2次,螺栓⑥為1次,螺栓⑦和⑧不受正作用。同時,螺栓①受2次負作用,最終載荷比目標載荷低0.88kN。螺栓②～⑦均只受1次負作用。由于正作用次數(shù)較多導致螺栓②最終載荷比目標載荷高0.27kN。螺栓③～⑦載荷均低于目標載荷且逐漸減小。螺栓⑧不受彈性交互作用,最終載荷與目標載荷相同。這種交互作用規(guī)律使順次加載首輪載荷呈現(xiàn)“N”形分布,如圖5所示。2.35螺栓荷載分布圖6示出交叉及順次5輪加載時,每輪加載后螺栓載荷分布。由圖6可知,每一輪次順次及交叉加載后,螺栓載荷分布均分別呈現(xiàn)“W”形和“N”形。說明在多輪加載過程中彈性交互正作用和負作用均存在,規(guī)律與首輪相似。3rb墊片載荷增長規(guī)律對聚四氟乙烯復合墊(簡稱PTFE,下同)和復合橡膠板(簡稱RB,下同)進行了5輪加載試驗。圖7,8分別示出PTFE和RB每輪次加載后的載荷分布。由圖7,8可知,采用不同墊片多輪加載,“W”及“N”形載荷分布規(guī)律仍然存在。彈性交互正作用和負作用規(guī)律可推廣到其他墊片類型。但是,對比圖6～8可知,SW,PTFE,RB墊片的彈性交互作用程度不同,RB的交互作用最嚴重,SW最輕。這是因為墊片剛度不同導致變形能力不同。RB墊片剛度小,變形能力強,因此交互作用更為嚴重。采用SW,PTFE,RB分別進行試驗,研究5輪加載時不同載荷增量下的彈性交互作用規(guī)律。圖9示出螺栓①在第3輪和第5輪加載時的載荷變化,其他輪次的規(guī)律與此類似,在此不再給出。如圖9所示,交叉加載時可根據(jù)載荷變化劃分為4個區(qū)域:Ⅰ,Ⅲ為彈性交互正作用區(qū),無鄰位螺栓加載;Ⅱ和Ⅳ為彈性交互負作用區(qū),鄰位螺栓被加載導致螺栓載荷降低。順次加載可劃分3個區(qū)域:Ⅰ,Ⅲ為負作用區(qū),Ⅱ為正作用區(qū)。表1列出螺栓①在每一區(qū)域載荷變化。由表1可知,彈性交互正作用規(guī)律如下:(1)順次加載強于交叉加載;(2)受載荷增量ΔF影響較小;(3)對螺栓載荷增加有限;(4)對預緊載荷均勻性影響較小。彈性交互負作用規(guī)律如下:(1)順次加載與交叉加載作用強度相當;(2)受載荷增量ΔF影響較大;(3)本試驗條件下作用區(qū)域僅限于相鄰螺栓;(4)對預緊載荷均勻性影響較大。4螺栓載荷的加載方案優(yōu)化考慮n螺栓的法蘭密封,彈性交互作用系數(shù)矩陣[A]n×n為包含n2個aij元素的方陣。根據(jù)上面結論,彈性交互負作用僅局限于鄰位螺栓,因此,若在加載過程中僅存在彈性交互負作用時,負作用矩陣可以簡化為三對角陣:[A]n×n=????????????1a1200?0a211a230?00a321a34?000a431?0?????an?1,n0000an,n?11????????????[A]n×n=[1a1200?0a211a230?00a321a34?000a431?0?????an-1,n0000an,n-11]必須注意,采用彈性交互負作用矩陣僅能補償負作用對載荷的削弱,在實際加載中,必須采用合理方案消除或降低正作用影響。采用下面加載方案可弱化彈性交互正作用:(1)首輪采用交叉加載方案,限制正作用在首輪加載中的作用效果;(2)第2K輪采用順次順時針加載(K≥1);(3)第2K+1輪采用順次逆時針加載(K≥1)。其中,順時針加載輪次與逆時針加載輪次相同。經(jīng)過順時針與逆時針交替加載方式,彌補正作用在整個預緊中對螺栓載荷產(chǎn)生的影響。同時在加載的每一輪次,均采用簡化的彈性交互作用系數(shù)法對加載螺栓載荷增量進行修正,從而在完成每一輪加載后,抵消負作用對螺栓載荷的削弱,獲得足夠且均布的螺栓載荷。根據(jù)此優(yōu)化方案(限于篇幅,簡化的彈性交互作用系數(shù)法詳細計算過程將另外撰文給出),采用5輪加載,每輪次目標載荷與前述相同,得到的各輪螺栓載荷分布如圖10所示。由圖10可知,優(yōu)化加載方案下,各輪螺栓載荷分布較為均勻,沒有出現(xiàn)明顯的“W”或“N”形載荷分布,且最終載荷均稍高于目標載