夏鳳鳴,劉 英,楊雨圖,倪曉宇

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇南京 210037)

直埋管抗壓強(qiáng)度與軸向滑動(dòng)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

夏鳳鳴,劉 英,楊雨圖,倪曉宇

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇南京 210037)

通過(guò)綜合比較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有直埋管抗壓強(qiáng)度與軸向滑動(dòng)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn),根據(jù)設(shè)計(jì)要求,提出了以吸砂機(jī)配合砂箱平車(chē)分工位完成試驗(yàn)與裝砂卸砂的總體設(shè)計(jì)方案,該裝置包括砂箱平車(chē)、推拉力試驗(yàn)機(jī)、液壓加載裝置、吸砂系統(tǒng)以及工作梯5個(gè)部分。應(yīng)用三維虛擬建模技術(shù)設(shè)計(jì)砂箱平車(chē)、推拉力試驗(yàn)機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)。在虛擬建?；A(chǔ)上,完成砂箱的靜態(tài)性能分析,校核砂箱的強(qiáng)度和剛度。

試驗(yàn)裝置;直埋管;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元分析

在工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中使用著大量的蒸氣、熱水及其他各種熱媒,而這些熱媒必須采用某種敷設(shè)方式的管道輸送至用戶(hù),直埋管道系統(tǒng)因具有工程造價(jià)低、熱損失小、節(jié)約能源、防腐、絕緣性能好、使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于直埋管輸送的蒸氣、熱水具有高溫、高壓的性質(zhì),管內(nèi)溫度高達(dá)幾百度,壓力高達(dá)十幾個(gè)大氣壓,因此要求管線(xiàn)直埋管內(nèi)的芯管能夠在熱脹冷縮時(shí)可靠移動(dòng),并通過(guò)管內(nèi)的補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)軸向位置補(bǔ)償,否則會(huì)引起管線(xiàn)失效[4-6]。

總體抗壓強(qiáng)度和軸向滑動(dòng)性能試驗(yàn)主要用來(lái)檢測(cè)直埋管在受到一定壓力的情況下內(nèi)管的滑動(dòng)性能,國(guó)內(nèi)主要型式的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)都把總體抗壓強(qiáng)度和軸向滑動(dòng)性能試驗(yàn)作為直埋管型式試驗(yàn)的主要項(xiàng)目[7]。但是目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有能夠完成自動(dòng)裝卸砂、適合全規(guī)格管徑、具有對(duì)中裝置的直埋管型式試驗(yàn)設(shè)備,為此本文設(shè)計(jì)了直埋管抗壓強(qiáng)度與軸向滑動(dòng)試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置既能用于本科教學(xué)、教師科研,又能作為江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院的型式試驗(yàn)裝置。

1 試驗(yàn)用砂箱模擬裝置

該試驗(yàn)采用砂箱模擬直埋管埋在地下的工作環(huán)境(見(jiàn)圖1),在砂箱上配備剛性壓板,以便施加載荷圖中G是壓板對(duì)砂施加的均勻載荷,D是試件內(nèi)管外徑。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)檢測(cè)往返推動(dòng)內(nèi)管所需的力來(lái)判斷其軸向滑動(dòng)性能[8]。

圖1 砂箱模擬裝置結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,主要包括砂箱平車(chē)、推拉力試驗(yàn)機(jī)、液壓加載裝置、吸砂系統(tǒng)以及工作梯。

圖2 試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)裝置工作原理

2.2.1 空載試驗(yàn)

如圖3所示,首先將砂箱平車(chē)移至換管工位,安裝好套板與試驗(yàn)管后將砂箱平車(chē)移至試驗(yàn)工位,調(diào)節(jié)推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿至試驗(yàn)管的中心高度,連接推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管,開(kāi)始試驗(yàn);試驗(yàn)結(jié)束后,解除推拉力試驗(yàn)機(jī)伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管的連接。

為加快推進(jìn)水利現(xiàn)代化建設(shè)，江蘇省江陰市水利局根據(jù)水利部、江蘇省及無(wú)錫市水利信息化發(fā)展規(guī)劃，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、資源整合、綜合利用、科學(xué)管理、上下銜接、有序推進(jìn)的原則，以水利業(yè)務(wù)管理職能為依據(jù)，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，精心組織編制了《江陰市水利信息化工程建設(shè)規(guī)劃（2012—2015年）》和《江陰市水利信息化一期工程建設(shè)可行性研究報(bào)告》。2013年4月，經(jīng)批準(zhǔn)后的一期工程完成設(shè)施安裝、軟件開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及試運(yùn)行，5月完成驗(yàn)收鑒定、應(yīng)用培訓(xùn)、成果啟用。

圖3 空載試驗(yàn)原理示意圖

2.2.2 加載試驗(yàn)

如圖4所示,首先將砂箱平車(chē)移至裝卸砂工位,打開(kāi)儲(chǔ)砂罐閥門(mén),砂子憑借重力自動(dòng)流入砂箱,裝砂量滿(mǎn)足試驗(yàn)要求后關(guān)閉儲(chǔ)砂罐閥門(mén);將砂箱平車(chē)移至試驗(yàn)工位,液壓加載裝置給砂箱加載,調(diào)節(jié)推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿至試驗(yàn)管的中心高度,連接推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管,開(kāi)始試驗(yàn);試驗(yàn)結(jié)束后,解除推拉力試驗(yàn)機(jī)伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管的連接,液壓加載裝置卸載返回,將砂箱平車(chē)移至裝卸砂工位,工作人員開(kāi)啟吸砂系統(tǒng),手握吸砂管吸砂。

圖4 加載試驗(yàn)工作原理示意圖

2.3 砂箱平車(chē)設(shè)計(jì)

本裝置適用于全部規(guī)格的直埋管試驗(yàn)用,外護(hù)管公稱(chēng)規(guī)格包括:DN219、273、325、377、426、530、630、720、820、920 mm。砂箱上安裝全規(guī)格開(kāi)孔套板、砂箱底部安裝行走輪箱的結(jié)構(gòu),全規(guī)格開(kāi)孔套板保證試驗(yàn)裝置適用于全規(guī)格直埋管,行走輪箱及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保證砂箱平車(chē)在鋼軌上前后移動(dòng)。砂箱設(shè)計(jì)為上方開(kāi)口的箱體結(jié)構(gòu),由鋼板焊接而成,前后兩側(cè)開(kāi)槽,用于安裝開(kāi)孔套板,槽兩側(cè)焊加強(qiáng)筋,以增加箱體強(qiáng)度。開(kāi)孔套板分上套板與下套板,最大規(guī)格DN920的下套板焊接在砂箱上,其他規(guī)格的開(kāi)孔套板都可以安裝在DN920的下套板上。砂箱平車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 砂箱平車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

每種規(guī)格的開(kāi)孔套板適用于相應(yīng)規(guī)格的直埋管,不同管徑的直埋管試驗(yàn)時(shí)只要換上相應(yīng)規(guī)格的開(kāi)孔套板即可。套板邊緣設(shè)計(jì)為凸臺(tái)搭肩式,配合擋塊和插銷(xiāo),使得套板與砂箱、套板與套板之間的連接極為便利,連接時(shí)只需將套板的搭肩靠上凸臺(tái),推上兩側(cè)的插銷(xiāo)便可,極大地縮短了安裝試驗(yàn)管的時(shí)間。最大規(guī)格的下套板直接焊接在砂箱上,其他規(guī)格套板在使用時(shí)都安裝在最大規(guī)格的下套板上。開(kāi)孔套板裝配圖見(jiàn)圖6。

圖6 開(kāi)孔套板裝配圖

2.4 推拉力試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

推拉力試驗(yàn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)為X、Y雙方向試驗(yàn)空間結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7),X水平方向?yàn)樨?fù)荷試驗(yàn)部分,電機(jī)位于右端,左端為主軸加載端并連接負(fù)荷傳感器,可完成拉伸、壓縮試驗(yàn),電機(jī)通過(guò)同步齒型帶驅(qū)動(dòng)精密絲杠副旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)橫梁水平方向的前后移動(dòng),對(duì)試樣進(jìn)行加載;Y垂直方向?yàn)樵囼?yàn)空間調(diào)節(jié)部分,以適應(yīng)不同管徑試驗(yàn)夾套管中心位置的變化,電機(jī)通過(guò)同步齒型帶驅(qū)動(dòng)精密絲杠副旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)水平負(fù)荷試驗(yàn)部分垂直上下移動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖7 推拉力試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 砂箱強(qiáng)度與剛度校核

砂箱鋼板屬于薄板,原則上可以使用板殼力學(xué)中的薄板彎曲理論來(lái)計(jì)算,但是查閱資料后發(fā)現(xiàn),薄板彎曲問(wèn)題常用的理論解法有兩種:納維埃(Navier)解與李維(Lévy)解,前者又稱(chēng)為雙三角級(jí)數(shù)解,適用于四邊簡(jiǎn)支邊界條件的薄板,后者又稱(chēng)為單三角級(jí)數(shù)解,適用于兩對(duì)邊簡(jiǎn)支邊界條件的薄板,而本文中砂箱薄板的邊界條件較為復(fù)雜,很難推導(dǎo)出理論解,所以采用工程中使用更為廣泛的有限元仿真來(lái)分析砂箱的變形、應(yīng)力等,校核砂箱的強(qiáng)度和剛度。

3.1 砂箱CAE模型建立

根據(jù)實(shí)際需求,使用Solidworks軟件建立幾何模型,導(dǎo)入ANSYS中。選用中間帶節(jié)點(diǎn)的四面體單元Solid92,此單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。未選用六面體單元Solid45,是因?yàn)樵搯卧谀Ｐ徒Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí),劃分不出六面體,單元會(huì)被退化成為四面體,計(jì)算精度很差。劃分網(wǎng)格時(shí)根據(jù)網(wǎng)格尺寸控制網(wǎng)格質(zhì)量[7]。砂箱CAE模型如圖8所示。

圖8 砂箱CAE模型圖

3.2 砂箱靜力學(xué)分析

3.2.1 工況分析

因?yàn)樯芭c土的物理特性類(lèi)似,所以本文應(yīng)用土力學(xué)的知識(shí)來(lái)計(jì)算砂的自重應(yīng)力以及砂子在加載情況下對(duì)砂箱四周產(chǎn)生的土壓力[8]。

土的自重應(yīng)力可用公式(1)計(jì)算:

式中,σcz為天然地面以下z深度土的自重應(yīng)力(kPa);γ為土的天然重度(k N/m3),試驗(yàn)用砂為γ＝22 k N/m3;z為土的深度(m),試驗(yàn)管頂部土深z1＝0.3 m,砂箱底部土深z2＝1.5 m。

計(jì)算得:砂對(duì)試驗(yàn)管頂部的自重應(yīng)力為0.006 6 MPa,對(duì)砂箱底部的自重應(yīng)力為0.033 MPa,液壓加載裝置施加的載荷P為0.073 4 MPa,砂箱底部受到的總壓力強(qiáng)度為0.106 4 MPa。

填土受到均布載荷時(shí)靜止土壓力強(qiáng)度可用公式(2)計(jì)算:

式中,σ0為土表受到均布載荷q(q＝73.4 k N/m2)時(shí),地面以下z深度土的靜止土壓力強(qiáng)度(kPa);K0為土的側(cè)壓力系數(shù)或靜止土壓力系數(shù),查表對(duì)砂子有K0＝0.5。

計(jì)算得:砂箱內(nèi)部最高點(diǎn)的土壓力強(qiáng)度為0.036 7 MPa,最低點(diǎn)的土壓力強(qiáng)度為0.053 2 MPa,其他高度的土壓力強(qiáng)度也可用該公式計(jì)算。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

有限元模型在上述載荷作用下,采用ANSYS求解對(duì)砂箱進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。得出結(jié)論:結(jié)構(gòu)采用15 mm厚的鋼板時(shí),應(yīng)力最大值為182 MPa,主要出現(xiàn)在砂箱底部加強(qiáng)筋上的應(yīng)力集中區(qū)域,其他大部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較小,材料屈服極限為235 Mpa,可知砂箱強(qiáng)度滿(mǎn)足要求;變形量最大值為3 mm,主要發(fā)生在砂箱兩側(cè)的中間部分,由于江蘇省特檢院沒(méi)有對(duì)砂箱變形量提出設(shè)計(jì)要求,咨詢(xún)?cè)撛合嚓P(guān)專(zhuān)家后得知,砂箱尺寸較大,3 mm的變形不會(huì)對(duì)試驗(yàn)精度造成任何影響,所以變形量亦滿(mǎn)足要求。砂箱的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9。

圖9 砂箱應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本直埋管抗壓強(qiáng)度與軸向滑動(dòng)試驗(yàn)裝置采用以吸砂機(jī)配合砂箱平車(chē)分工位完成試驗(yàn)及裝砂卸砂的總體設(shè)計(jì)方案,解決了目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有能夠完成自動(dòng)裝卸砂、適合全規(guī)格管徑的直埋管型式試驗(yàn)設(shè)備的困難。

在Solidworks仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上,建立了整套試驗(yàn)裝置的三維模型。應(yīng)用有限元技術(shù)完成了砂箱的靜態(tài)性能分析,校核了砂箱的強(qiáng)度和剛度,為砂箱的試制提供了理論依據(jù)。

References)

[1]崔學(xué)梅.內(nèi)阻式供熱直埋保溫管熱工模擬與仿真[D].太原:太原理工大學(xué),2006.

[2]袁娜.熱水管道直埋敷設(shè)研究[D].長(zhǎng)安:西北大學(xué),2007.

[3]Weidlich,Ingo.Buried district heating pipelines:Soil-pipe interaction of district heating pipes-Suggested framework[J].Euroheat and Power:English Edition,2011,8(3):34-39.

[4]Tol H I,Svendsen S.Improving the dimensioning of piping networks and network layouts in low-energy district heating systems connected to low-energy buildings:A case study in Roskilde,Denmark[J].Heat Transfer Engineering,2011,38(1):276-290.

[5]沈禹,劉俊松,劉炳南.高溫蒸汽直埋管設(shè)計(jì)技術(shù)綜述[J].中國(guó)科技信息,2012(10):126-127.

[6]Dalla Rosa Alessandro,Li Hongwei,Svendsen Svend.Modeling transient heat transfer in small-size twin pipes for end-user connections to low-energy district heating networks[J].Heat Transfer Engineering,2013,34(4):372-384.

[7]張富勝,任智銓.直埋熱力管道型式試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的討論[J].石油化工設(shè)備,2012,41(2):59-63.

[8]劉金山,張永生,王善江,等.TSGD2001—2006壓力管道元件制造許可規(guī)則[S].北京:國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2006.

Design of compressive strength and axial sliding performance test device of directly buried steam pipe

Xia Fengming,Liu Ying,Yang Yutu,Ni Xiaoyu
(College of Electronic and Mechanical Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing,210037,China)

Through comprehensive comparison of the structure characteristics of domestic and foreign existing overall compressive strength and axial sliding performance test device of directly buried steam pipe,according to design requirements,the overall design scheme of completing the test and loading and unloading sand in different positions with sand suction machine and sand box flat car is put forward,including the sand box flat car,the push and tensile testing machine,the hydraulic loading device,the sand suction system and the job ladder five parts.Solidworks is used in 3D drawing of the device and their components,and AutoCAD is used to transform it into two-dimensional engineering drawings.ANSYS is used in the static analysis of the sand box to check the strength and stiffness.

test device;directly buried steam pipe;structure design;finite element analysis

TU995.3

A

1002-4956(2015)4-0115-04

2014-11-07

國(guó)家質(zhì)檢總局科技項(xiàng)目(2013zjjg056);江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院項(xiàng)目(蘇特檢(2012)協(xié)字第660號(hào))

夏鳳鳴(1990—),男,江蘇淮安,碩士研究生,研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化

E-mail:xiafengming_1＠163.com

劉英(1965—),女,福建建甌,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化.