摘要：本文设计了一种新型缠绕垫片，并与V形、W形缠绕垫片成型钢带的压缩变形进行了分析对比，结果表明所设计的新型缠绕垫片压缩性能优于W形缠绕垫片。
缠绕垫片是一种由一定几何截面的成型钢带与非金属带交替缠绕而成的组合形平垫片,充分利用了成型金属钢带的耐热性、压缩回弹性,与非金属带组合后,密封性能更优异,因而在石化、电力等部门的设备和管道连接密封中得以广泛应用。国内外有关缠绕垫片的标准很多,对成型钢带的几何形状，我国GB4622.3，SHJ407等标准虽然规定了成型钢带的几何截面形状为V形，但并未给出具体几何尺寸;美国ANSI、API，英国BS，日本JPI，德国DIN等标准未作出规定，尽管如此,各标准对缠绕垫片的压缩性能-压缩率都进行了规定. 试验表明[ 1. 金属缠绕垫片结构与工艺参数的研究],成型钢带的几何形状和尺寸、缠绕时的压紧力和非金属带的种类对缠绕垫片的压缩率均有显著影响。
在国内外众多生产厂家的产品中, 95%以上采用V形钢带,为了克服V 形缠绕垫片不稳定易于损坏的缺点,出现了W形缠绕垫片,但由于W形缠绕垫片的预紧力要比 V形缠绕垫片大许多,加之国内标准规定缠绕垫片钢带形状为V形,因而应用不广泛. 本文所设计新型缠绕垫片——折弧形缠绕垫片在结构上具有W形缠绕垫片生产、使用时稳定和不易损坏的优点,其成型钢带轴向压缩量为W形的1. 33 倍W 形,在很大程度上克服了W形缠绕垫片难以压缩的缺点,对工程实际具有重要意义。
1、V 形和W 形缠绕垫片成型钢带几何参数的确定
缠绕垫片的基本结构见图 1 ,由成型钢带与非金属带交替缠绕而成,其上下两面作用有均布载荷P。
由于国内外各生产厂家缠绕垫片成型钢带的直边夹角均约90°,为分析和比较方便并具有普遍意义,本文确定成型钢带直边夹角2α为π/2,即 α= π/4. 垫片厚度为2 H ,钢带厚度为 t 。
V 形和W 形钢带的具体结构和几何参数分别见图2和图3。
2、折弧形缠绕垫片的结构设计
折弧形缠绕垫片钢带借鉴W 形缠绕垫片成型钢带具有稳定性和不易损坏的优点,两侧各由直边 L和半径为 R的向外凸的半圆弧构成,其直边形状与W 形缠绕垫片钢带的直边形状相同,因而,在生产加工要求上和 W 形缠绕垫片基本一致,具体结构和几何参数见图4 ,其中,R=H/2，L=H/(2sinα)。
3、V 形、 W 形和折弧形缠绕垫片成型钢带压缩性能分析
3. 1 力学模型的建立
以 V 形缠绕垫片钢带为例,见图1 和图2 ,由于 V 形钢带的截面对称于X 轴和Y 轴,故可沿Y轴方向取单位宽度的成型钢带建立力学模型. 见图2 , Q为单位宽度上的集中载荷,设 V 形尖顶处固支,其一侧便可看作受载荷 Q 作用的悬臂梁.其它类型成型钢带力学模型的建立方法与此相同。因沿Y 轴方向所取单位宽度为1 ,即悬臂梁的横截面均为1 ×t 的矩形,故抗弯刚度E I 相等。
取单位宽度为1 ,即悬臂梁的横截面均为1 ×t 的矩形,故抗弯刚度 EI 相等。
3. 2 V形钢带受轴向力作用时的压缩变形
力学模型见图 2 , L =H/sinα，采用单位力法,求出固支点上半部分在 Q 力作用下作用点的
垂直位移f ,即可得到总体压缩变形 F V。
在Q力作用下，截面x的弯矩为：
M=QXcosα
将Q力以单位力代替，截面x的弯矩为：
M’=Xcosα
则在Q力作用下，总体压缩变形Fv为：
(1)
3. 3 W形钢带受轴向力作用时的压缩变形
W 形钢带由对称的双V 形构成,其结构简图和力学模型见图 3 ,由于对称性,其总体压缩变形Fw 应为单V 形变形量的二倍. 将式( 1)中的H以H/2带入后乘2 ,即可得到W 形钢带的总体压缩变形FW 。
3. 4 折弧形( ZH)钢带受轴向力作用时的压缩变形
折弧形( ZH)钢带由两直边 L 和半径为R 的向外凸的半圆弧构成, 其结构简图和力学模型见图4，R=H/2，L=H/(2sinα)，α=π/4。. 采用单位力法,求出固支点上半部分在Q 力作用下作用点的垂直位移f ,即可得到总体压缩变形 FZH。在Q 力作用下,截面 X 的弯矩为:
M=QXcosα
截面φ的弯矩为：
Mφ=QRcosφ
将 Q 力以单位力代替,截面 X 的弯矩为:
M’=Xcosα
截面φ处的弯矩为：
Mφ’=Rcosφ
则在Q力作用下，总体压缩变形FZH为：
3. 5 计算结果分析
由式( 1)～ ( 3) 比较可知,在相同载荷下,V 形钢带压缩量最大,W 形钢带压缩量占V 形钢带压缩量的25%,而折弧形钢带压缩量占V 形钢带压缩量的33. 32%,为W 形钢带压缩量的1 . 33倍.
4 结论
由计算结果分析可知,所设计的折弧形缠绕垫片的压缩性能优于W 形缠绕垫片,其结构设计吸收了W 形缠绕垫片结构稳定和不易损坏的优点,在工程应用上具有重要意义。
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