波紋金屬軟管應(yīng)用布局及偏差補償設(shè)計

孟 佳,王東亮,龔海軍,章銀城,陳 超

(常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司,江蘇 常州 213025)

波紋金屬軟管是流體管路系統(tǒng)中常用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接及裝配公差、功能性補償元件,既可調(diào)節(jié)管路軸向或橫向、結(jié)構(gòu)扭曲或彎曲以及溫度或力場變化等環(huán)境因素引起的位移偏差,也可阻斷或減緩管路系統(tǒng)中振動或噪聲傳遞,達到減振、降噪之效[1-2]。

鋼絲網(wǎng)套波紋金屬軟管(以下簡稱軟管)是在波紋金屬軟管外包裹鋼帶或鋼絲交叉編織成的密網(wǎng),以保護其免劃傷并有隔離環(huán)境、防腐蝕等作用,也可改善其結(jié)構(gòu)定型、延長使用壽命等,但外覆網(wǎng)套使波紋軟管的撓性受限。工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),軟管除了因環(huán)境或介質(zhì)腐蝕失效外,還多因為結(jié)構(gòu)中軟管應(yīng)用布局不當(dāng)或長度設(shè)計不當(dāng),致軟管應(yīng)力失效[3-9]。主要表現(xiàn)為:1)軟管在振動源近端,隨振動交變疲勞失效,易見于波紋管波谷與波峰過渡的應(yīng)力集中處開裂;2)軟管用作變向管件,彎曲或扭曲處應(yīng)力疲勞失效,易見于曲率最小處局部開裂;3)軟管過長,結(jié)構(gòu)中的彎曲半徑小于軟管最小彎曲半徑,致彎曲或扭曲過量出現(xiàn)因應(yīng)力開裂,易見于最小半徑彎曲處開裂;4)軟管過短,長期受拉應(yīng)力失效,易見于網(wǎng)套與剛性接頭處焊點開裂;5)軟管自重大且攜工況振動的雙重作用下,應(yīng)力開裂失效,易見于軟管水平安裝時網(wǎng)套與剛性接頭處焊點開裂。

本文結(jié)合軟管工程應(yīng)用失效形式及易見開裂位置,重點從受力狀態(tài)與裝配偏差兩個維度分析軟管應(yīng)用的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計及基于軟管建模長度設(shè)計的裝配偏差補償。

1 軟管應(yīng)用結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

軟管受力失效形式:軟管受網(wǎng)套束縛,不宜受拉應(yīng)力;軟管結(jié)構(gòu)特征:一般采用0.1～0.5 mm的鋼帶卷制焊接,脹徑擠壓成型并經(jīng)固溶處理,但薄壁及成型圓角較小的特性使其不宜長期受交變應(yīng)力、較大張力及過大的伸縮形變。遵其機理,軟管應(yīng)用結(jié)構(gòu)布局設(shè)計應(yīng)遵循以下原則:

1)軟管應(yīng)遠離振動源,且應(yīng)避免布局在振動直線傳遞方向,如圖1所示。軟管優(yōu)先布局于經(jīng)剛性管路過渡、垂直于振動傳遞的方向,這樣可以切斷軟管與振動源的直線關(guān)聯(lián),減小振幅,從而延長軟管的使用壽命。

圖1 軟管結(jié)構(gòu)布局及變向設(shè)計

2)管路變向時優(yōu)先采用剛性管件,盡量避免軟管用作變向管件。軟管剛度低,在管路系統(tǒng)中使用的目的在于柔性調(diào)節(jié),但難以在交變受力下保持特定彎曲狀態(tài),故在管系變向設(shè)計時,應(yīng)采用剛性管件替代軟管。如圖1所示,管系變向處采用剛性彎頭,軟管布局在水平及豎直方向以補償位移偏差或減緩振動傳遞[10]。

3)軟管優(yōu)先布局在被調(diào)節(jié)端中間,且最大化其撓性自由度。設(shè)計軟管連接時,應(yīng)充分考慮軟管兩端(下文統(tǒng)稱為A端、B端)的自由度約束設(shè)計,以最大化軟管的自由度為宜,如圖2所示。圖2(a)中,軟管置于A、B端被連接端中間,La≠0、Lb≠0,軟管維持2個自由度;圖2(b)中,軟管B端被固定約束,La≠0、Lb=0,軟管維持1個自由度;圖2(c)中,軟管A端被固定約束,La=0、Lb≠0,軟管維持1個自由度;圖2(d)中,軟管A、B端均被固定約束,La=0、Lb=0,軟管維持0個自由度。設(shè)計時,應(yīng)優(yōu)先采用圖2(a)所示的形式,且以A、B兩端近于對稱分布為佳,避免圖2(d)所示的布局。

圖2 軟管兩端約束連接

4)軟管優(yōu)先垂直布局。從軟管結(jié)構(gòu)及性能看,軟管可以水平布局、垂直布局、斜向布局或彎曲布局,如圖3所示。圖3(a)中,A、B兩端不同軸,軟管扭曲安裝;圖3(b)中,A、B端同軸,軟管水平安裝;圖3(c)中,A、B端同軸,軟管豎直安裝。當(dāng)軟管內(nèi)滿載流體介質(zhì),或靜態(tài),或動態(tài),扭曲安裝、水平安裝的軟管長期受流體重力、安裝扭力影響,彎曲中心及網(wǎng)套與剛性接頭焊點處失效風(fēng)險較高;垂直安裝的軟管近于自由狀態(tài),受流體重力及沖擊動能影響較小,有助于延長其使用壽命。

圖3 軟管補償方向設(shè)計

5)軟管水平布局時優(yōu)先使彎曲中心向上。軟管組件設(shè)計為同軸或近同軸水平安裝時軟管宜長不宜短,其與兩端對接后會有冗余,致軟管中間段向上或向下彎曲,如圖4、圖5所示。

圖4 軟管彎曲中心向上

圖5 軟管彎曲中心向下

在軟管組件與兩端對接組件的連接體中,應(yīng)力集中部位主要為兩端剛性接頭與軟管的連接處以及軟管的彎曲中心。當(dāng)軟管滿載流體時,圖4中,在軟管兩端剛性接頭與軟管的焊縫處,主要受剛性接頭的轉(zhuǎn)矩TA和TB、剛性接頭的連接力、重力FG、軟管反作用力及流體自重分力(F壓)的作用,軟管中心彎曲部位受A、B兩端的支撐力(FA分、FB分)、重力及支撐反作用力的合力(F壓)的作用,故軟管向上彎曲,應(yīng)力集中部位以受壓力為主。同理,圖5中軟管向下彎曲,應(yīng)力集中部位以受拉力為主。鑒于軟管宜受壓不宜受拉,應(yīng)優(yōu)先設(shè)計為向上彎曲安裝。

2 軟管長度設(shè)計及裝配偏差補償

2.1 軟管組成

軟管組件一般由剛性連接接頭(下文均以翻邊接頭示例)、剛性過渡接頭、柔性軟管、剛性直管段組焊而成,如圖6所示。Ls為軟管建模長度,Lm、Ln為直管段長度,Lx為有效柔性長度,Lz為剛性過渡接頭長度,b為連接接頭長度,Lc為軟管主體長度。其中,軟管主體由有效柔性軟管段與剛性過渡接頭組焊而成,翻邊接頭尺寸見GB/T 9122—2010。

圖6 波紋軟管組成

2.2 軟管應(yīng)用建模

以軟管兩端空間自由連接建模,其橫向連接及角向連接分別如圖7、圖8所示。EL為軟管安裝間距,α、β、θ為軟管彎曲角度,Y為連接端軸線偏移距離,Rβ、Rθ為軟管彎曲半徑。

圖7 軟管橫向連接設(shè)計

圖8 軟管角向連接設(shè)計

以軟管優(yōu)先豎直布局或水平布局為原則,即軟管兩端連接體應(yīng)同軸裝配設(shè)計,且軟管軸線與兩端連接體軸線處于同一平面內(nèi),即圖7、圖8中,α=0、β=0、θ=0、Y=0、R=∞,建立的軟管理想狀態(tài)下的簡化模型如圖9所示。

圖9 軟管理想狀態(tài)模型

軟管理想長度為軟管兩端安裝間距,即EL=Ls。但實際工程中,受制造偏差、裝配偏差、工作相互位移等多重因素影響,軟管組件難以實現(xiàn)理想安裝狀態(tài)。不計角向連接偏差,基于軟管宜長不宜短[11]、宜壓縮不宜拉伸原則,軟管設(shè)計長度應(yīng)大于建模長度,即L>EL,如圖10所示。

圖10 軟管設(shè)計安裝狀態(tài)

2.3 軟管有效長度設(shè)計

令L-Ls=ΔL,ΔL即為軟管設(shè)計長度與建模長度之差,定義為軟管應(yīng)用誤差補償量,且ΔL>0。由圖7～圖10可知,Ls=EL,故在設(shè)計軟管長度時重點在于誤差補償量的確定。

分析圖6可知,剛性接頭及直管段均為標準件或宜量化尺寸,其撓度需通過有效柔性軟管尺寸調(diào)節(jié)。

2.4 裝配誤差補償

在實際應(yīng)用中,裝配累計誤差是決定軟管長度的關(guān)鍵,而其制造誤差、工作位移偏差在大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中可忽略不計[12]。以軟管建模設(shè)計為基準,兩端反向偏移與同向偏移時所建模型分別如圖11、圖12所示。ELr為軟管實際安裝尺寸,Lar、Lbr為軟管兩連接端軸向?qū)嶋H安裝線性尺寸,ΔYa、ΔYb為軟管兩連接端垂直軸線偏移尺寸,ΔZa、ΔZb為軟管兩連接端軸向線性偏移尺寸。

圖11 軟管兩端連接體同向偏移

圖12 軟管兩端連接體反向偏移

1)垂直于軟管軸線的安裝偏差設(shè)計。

圖11中,軟管兩端被連接體分別向安裝軸兩側(cè)偏離,其實際安裝偏移距離為ΔY=ΔYa+ΔYb;圖12中,軟管兩端被連接體向安裝軸同側(cè)偏離,其實際安裝偏移距離為ΔY=ΔYa-ΔYb(令ΔYa≥ΔYb)。由此可知,無論軟管兩端被連接體相對于軟管模型軸線同向或反向偏離,其影響軟管安裝的始終為兩端連接體的軸線偏移距離ΔY。簡化模型如圖13所示。

圖13 軟管安裝偏差簡化模型

GB/T 14525—2010規(guī)定,軟管允許的彎曲半徑不得小于其最小彎曲半徑Rmin,即Rβ≥Rmin,Rθ≥Rmin。軟管安裝中,軟管彎曲處應(yīng)圓滑過渡,柔性端彎曲應(yīng)對稱分布,故令Rβ=Rθ、β=θ。

令R為彎曲半徑,則軟管兩端被連接體垂直于軸線的偏移量為:

ΔY=2R[1-cos(L/(2R))]

(1)

當(dāng)彎曲半徑無窮大時,軟管呈直線狀態(tài),同軸裝配,為最佳狀態(tài),即R=R∞時,軸向偏差最小,為ΔYmin=0;當(dāng)彎曲半徑最小,軟管呈極限彎曲狀態(tài),即R=Rmin時,軸向偏差最大,為ΔYmax=2Rmin[1-cos(L/(2Rmin))]。

在軟管裝配作業(yè)中,垂直于軸向的偏差ΔY是可測量的尺寸,依據(jù)其可反推軟管設(shè)計長度,所建模型如圖14所示。Ly為軟管彎曲后在軸向的投影。

圖14 軟管柔性尺寸偏差模型

令ΔLx=Lx-Ly,ΔLx定義為軟管柔性尺寸安裝后的軸向偏差。由圖14可知:

(2)

構(gòu)建軟管柔性長度彎曲偏差模型如圖15所示。

圖15 軟管柔性長度彎曲偏差模型

圖15中:

(3)

故:

(4)

(5)

式中:Lxy/2為Lx/2弧長對應(yīng)的弦長。θ越小,Lxy越趨近于Lx,即Lxy≈Lx。

(6)

令垂直于軟管軸向的裝配誤差補償量為ΔH,則ΔH=ΔLx。

2)軟管軸線的線性安裝偏差設(shè)計。

軟管兩端被連接體的軸線線性偏差,實為軟管安裝尺寸EL的線性偏差,設(shè)為ΔZ,由圖11、圖15可知,ΔZ=ELr-EL,在建模設(shè)計中,ΔZ=0。GB/T 14525—2010規(guī)定預(yù)制軟管執(zhí)行正偏差,符合宜長不宜短原則。如執(zhí)行最大制造偏差補償,則會造成軟管偏長,致安裝后不美觀,出現(xiàn)冗余、彎曲半徑過小失效等現(xiàn)象。隨著現(xiàn)代制造水平的提高,其線性方向偏差控制愈趨于精準化,尤其標準化產(chǎn)品線性偏差穩(wěn)定性較好,宜量化。

3)軟管設(shè)計誤差補償。

以軟管模型為裝配基準,軟管長度設(shè)計應(yīng)權(quán)衡兩端被連接體的軸向線性偏差與垂直于軸向的形位偏差,其補償量ΔL為彎曲軸向偏差與軸向線性偏差之和,即ΔL=ΔH+ΔZ。

3 實例分析

某電力電子水冷卻裝置系統(tǒng),多段金屬軟管在投運半年后發(fā)生漏水事故,經(jīng)排查漏點均在網(wǎng)套與剛性接頭的焊點處。分析后得知,軟管長度與建模長度一致,軟管自由豎直伸張,軟管組件一端翻邊與其對應(yīng)連接端固定,另一端及其對應(yīng)連接端偏離垂直軸線約45 mm,軸向線性偏離約10 mm,如圖16所示。

圖16 軟管安裝偏差及失效

改進措施:經(jīng)查管路為通徑DN65,軟管組件兩端連接體間距EL=850 mm,結(jié)合圖6查得翻邊接頭長度b=45 mm,剛性過渡接頭Lz=90 mm,直管段Lm=210 mm,Ln=0,Lx=350 mm。測量實物裝配偏差可知,ΔY=45 mm,ΔZ=10 mm,經(jīng)計算得ΔH=3 mm,ΔL=10 mm。由上述方法計算得:軟管建模長度應(yīng)為850 mm,生產(chǎn)設(shè)計長度應(yīng)為863 mm。將長度優(yōu)化后的軟管替換失效軟管,投運3年余未出現(xiàn)因應(yīng)力失效的漏水事故。

4 結(jié)束語

基于軟管應(yīng)用常見的因應(yīng)力失效形態(tài),軟管布局應(yīng)避免靠近振動源或與振動源直線聯(lián)動,不作變向管件使用,宜優(yōu)先豎直布局。同時,軟管生產(chǎn)長度設(shè)計應(yīng)基于三維建模長度,并適當(dāng)補償安裝軸向與徑向偏差,以實現(xiàn)軟管受力自由態(tài),減小安裝應(yīng)力,提高軟管使用壽命。