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往復(fù)壓縮機(jī)填料函強(qiáng)度與剛度分析方法

2014-11-27 02:56:54劉文瀟王揚(yáng)純
壓縮機(jī)技術(shù) 2014年4期
關(guān)鍵詞:圓環(huán)內(nèi)力安全系數(shù)

曹 君,劉文瀟,王揚(yáng)純

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司,遼寧 沈陽110869)

1 引言

填料部件是用于密封氣缸中壓縮氣體的,特別是密封壓力高時(shí),所需填料組數(shù)多。填料函厚度如果設(shè)計(jì)薄了,將存在安全隱患;設(shè)計(jì)厚了,將導(dǎo)致軸向尺寸過長(zhǎng),直接影響壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和重量。所以,有必要精確計(jì)算填料函的軸向尺寸。下面介紹一種填料函強(qiáng)度與剛度的分析方法。

圖1 填料部件及填料函圖

2 受力分析

如圖2所示,填料部件密封的壓縮氣體壓力為p,該壓力均勻作用在外徑D、內(nèi)徑D1填料函的軸向圓環(huán)壁上,通過受力分析,建立力學(xué)模型為內(nèi)邊自由、外邊固定的等厚圓環(huán)板在均勻載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變。

3 應(yīng)力和應(yīng)變

如圖2所示,如果填料函簡(jiǎn)化部分的等厚圓環(huán)板內(nèi)邊為D1=2a,外邊為D=2b,密封壓力為p=q,板上任一所求點(diǎn)到圓環(huán)中心的半徑為r,則其應(yīng)力分布如圖3。

圖2 填料函受力分析圖

圖中σθ、σr分別為板內(nèi)任一點(diǎn)的彎曲內(nèi)力和徑向內(nèi)力,當(dāng)應(yīng)變?chǔ)剡h(yuǎn)小于板厚t(≤1/5),說明受力圓環(huán)板為剛性板,則外部密封壓力主要由彎曲內(nèi)力σθ平衡,徑向內(nèi)力σr很小,可以忽略不計(jì)。填料函設(shè)計(jì),為保證密封效果,應(yīng)設(shè)計(jì)為剛性板,其內(nèi)部應(yīng)力為彎曲內(nèi)力σθ,其最大應(yīng)力和應(yīng)變出現(xiàn)在板最內(nèi)邊緣處,此處為填料函的危險(xiǎn)截面,令,最大應(yīng)力和應(yīng)變求解公式為

圖3 填料函應(yīng)力和應(yīng)變圖

E——彈性模量,鋼的彈性模量取207000 MPa α、β——應(yīng)力修正系數(shù),與K值有關(guān),參見表1

往復(fù)壓縮機(jī)的氣體壓力是隨曲軸轉(zhuǎn)角周期性變化的,導(dǎo)致填料函所承受的載荷q也是周期性變化的,彎曲內(nèi)力σθ為變應(yīng)力,所以填料函的強(qiáng)度應(yīng)按疲勞強(qiáng)度考核。如果填料密封的該級(jí)排氣壓力為P2,進(jìn)氣壓力為P1,代入公式(1) 可求得填料函危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin,則平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅σa為

表1

4 疲勞強(qiáng)度分析

式中 φσ——等效系數(shù),鋼材在拉壓變應(yīng)力作用

采用古特曼方程求解疲勞極限σ-1下,磨削加工條件下,其等效系數(shù)φσ取0.36

σB——抗拉強(qiáng)度極限,鋼材取750 MPa

代入公式(5) 求得解疲勞極限σ-1=270 MPa

填料函是在單向應(yīng)力作用下,求解其疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)n

式中(kσD) 為應(yīng)力幅綜合影響系數(shù),該系數(shù)與實(shí)際填料函的應(yīng)力集中系數(shù)kσ、絕對(duì)尺寸系數(shù)εσ、表面狀態(tài)系數(shù)βσ有關(guān),應(yīng)力幅綜合影響系數(shù)(kσD) =,根據(jù)實(shí)際情況k可取2,ε可取0.7,β可σσσ取1,則 (kσD) =2.9將已知數(shù)值代入公式 (4) 中得到安全系數(shù)

5 結(jié)論

由公式(2) 和公式(7) 可求得填料函危險(xiǎn)截面的最大變形量和安全系數(shù),設(shè)計(jì)填料函時(shí)首先考慮疲勞強(qiáng)度,安全系數(shù)n應(yīng)大于允許的安全系數(shù) [n], [n]取值1.3~1.75;值得注意的是,填料函危險(xiǎn)截面還應(yīng)有足夠的剛性,否則將影響密封效果,計(jì)算的最大撓度不宜超過0.005 mm。

[1] 王德璽,裴垠欣.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999.

[2] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4篇機(jī)械設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ))[Z].機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

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