防雷设备跨接夹具及其尺寸设计方法
阅读说明：本技术 防雷设备跨接夹具及其尺寸设计方法 (Lightning protection equipment bridging clamp and size design method thereof ) 是由 徐春明 马敏葡 钟海 廖强 于 2020-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及跨接夹具技术领域,尤指防雷设备跨接夹具及其尺寸设计方法,其中,一种防雷设备跨接夹具,包括夹具本体和夹具螺栓,所述夹具本体设有与所述夹具螺栓对应的安装孔,所述夹具本体为U型结构,所述U型结构的内沿构成夹槽；结构简单,方便实用；一种防雷设备跨接夹具的尺寸设计方法,其依据管内的压力需求,设计夹具的尺寸,并利用abaqus软件,分析其应力与应变情况,通过与自身材料屈服强度的比较,较为准确的判断其可靠程度,从而较为有效的保证使用时人员和设备的安全。(The invention relates to the technical field of bridging clamps, in particular to a lightning protection equipment bridging clamp and a size design method thereof, wherein the lightning protection equipment bridging clamp comprises a clamp body and a clamp bolt, the clamp body is provided with a mounting hole corresponding to the clamp bolt, the clamp body is of a U-shaped structure, and the inner edge of the U-shaped structure forms a clamping groove; the structure is simple, convenient and practical; a size design method for a lightning protection equipment bridging clamp is characterized in that the size of the clamp is designed according to the pressure requirement in a pipe, the stress and strain conditions of the clamp are analyzed by utilizing abaqus software, and the reliability of the clamp is accurately judged by comparing the yield strength of the clamp with the yield strength of a material of the clamp, so that the safety of personnel and equipment in use is effectively guaranteed.)
技术领域
本发明涉及跨接夹具技术领域，尤指防雷设备跨接夹具及其尺寸设计方法。
背景技术
接地跨接线是用在比如两电线管、两管道以及桥架各节段之间的断接口电气辅助联通用的起传导电位的作用，正常时不通过电流。跨接线用于两节桥架连接处或两管道连接处,它起到漏电保护的作用！
在高压设备(如天然气管道)上，由于不能暂停设备运作，在拆除螺丝帽来加装跨接线时，需要用夹具来固定两个法兰，通过夹具中螺栓的预紧力，使法兰盘紧贴，从而防止法兰盘连接处产生泄露。另外，在防雷工作中的高压设备，需拆除螺帽加装跨接线的，也需要用到夹具。而且，对于连接这些高压设备的夹具，在使用前都需要计算夹具在高压的情况下的承受能力，从而来保证人员和设备的安全。
现有的夹具产品是无法计算夹具的螺栓预紧力和受力分析，无法保证设备和人员的安全。
比如：专利申请号为CN201320440773.2，公开了一种电气设备高压试验夹具，包括待测高压端、螺钉、蛇皮管以及夹具，待测高压端的端部固装有一螺钉，该螺钉上安装夹具的一端，夹具的另一端连接蛇皮管，夹具包括连管和套夹主体，套夹主体为圆柱筒形，该套夹主体同轴套装在待测高压端上的螺钉上，套夹主体中部径向对称安装有两个弹性卡片，该两个弹性卡片与套夹主体之间均安装有一弹簧，套夹主体上部制有外螺纹；所述连管一端制有与所述外螺纹配合的内螺纹，连管的另一端制有与蛇皮管连接的标准接口。
发明内容
为解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种防雷设备跨接夹具及其尺寸设计方法，所述夹具结构简单，方便生产和使用。
本发明的又一目的在于提供一种防雷设备跨接夹具及其尺寸设计方法，根据管道内的压力需求，可以设计不同的夹具尺寸来适用不同的压力环境；同时也可以通过夹具的尺寸来计算夹具承受压力的能力；安全性高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种防雷设备跨接夹具，其特征在于，包括夹具本体和夹具螺栓，所述夹具本体设有与所述夹具螺栓对应的安装孔，所述夹具本体为U型结构，所述U型结构的内沿构成夹槽，所述夹具螺栓穿过所述安装孔并与夹槽配合用于夹持两个法兰，使两个法兰紧紧的连接在一起；
所述夹具螺栓设有外螺纹，所述安装孔设有与所述外螺纹对应的内螺纹，所述夹具螺栓与安装孔螺纹连接；通过转动所述夹具螺栓就能调节本夹具的松紧程度。
进一步，所述夹具本体和夹具螺栓均采用Q235普通碳素结构钢材料。
进一步，所述夹具本体设有内侧圆角和外侧圆角。
一种防雷设备跨接夹具的尺寸设计方法，依据管内的压力需求，设计夹具螺栓的公称直径，具体如下：
已知，管内压力P，
则F＝P·A1/Z
其中，F为轴向工作拉力，A1为管道横截面积，Z为螺栓数目；
其中，ΔF为拉力增量，Cb为法兰盘螺栓刚度，Cm为连接螺栓刚度；
其中，F0为夹具螺栓预紧力，T为螺栓预紧力矩，由螺栓力矩表可得；d1为连接螺栓小径；
F1＝F0+ΔF-F
故
其中，力矩M1＝(F夹预-F)·r法，F1为残余预紧力，W为接触面抗弯截面系数，A2为接触面面积，[σ p]为接触面许用接触应力，查表可得[σ p]的大小，从而解出M1的大小范围；
由M1＝(F夹预-F)r法得，F夹预的大小范围，
取F夹预的最大值，由
其中，s1为安全系数，σs为材料的屈服强度，大小为235Mpa；
计算出d2的值，取任意一个所述d2的值作为夹具螺栓公称直径。
进一步，对所述夹具本体进行受力分析，计算夹具本体n-n面所受拉应力σ’，再计算所述U型结构底部的高度h，计算公式如下：
其中，
I为主惯性矩，
所以其中最大受力处σ＝σ”тmax+σ’
由抗拉强度条件σтmax≤[σ т]，其中可解得h的大小范围，
其中，b为夹具本体的厚度，夹具所受弯曲拉应力和压应力分别为σ”тmax和σ”cmax。
进一步，利用abaqus软件结合所述夹具本体、夹具螺栓的尺寸对夹具本体进行应力、应变分析，确保夹具本体受到的应力小于夹具本体材料的屈服强度，保证其可靠性。
本发明的有益效果在于：
本发明由夹具本体和夹具螺栓两部分组成，其结构简单，方便生产和使用。
本发明可以根据管内压力的不同而设计出不同的尺寸，并利用abaqus软件，分析其应力与应变情况，通过与自身材料屈服强度的比较，较为准确的判断其可靠程度，从而较为有效的保证使用时人员和设备的安全。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的正视图。
图3是本发明的侧视图。
图4是法兰规格为ANSIB16.5,300级的螺栓力矩表的示意图。
图5是法兰规格为ANSIB16.5,600级的螺栓力矩表的示意图。夹具所受拉应力
图6是本发明夹具本体所受拉应力的受力分析图。
图7是本发明夹具本体所受弯曲拉应力和压应力的受力分析图。
图8-10是通过abaqus软件对本发明进行应力、应变分析的示意图。
附图标号说明：1.夹具本体；2.外侧圆角；3.夹具螺栓；4.内侧圆角；5.安装孔。
具体实施方式
请参阅图1-3所示，本发明关于一种防雷设备跨接夹具，其特征在于，包括夹具本体1和夹具螺栓3，所述夹具本体1设有与所述夹具螺栓3对应的安装孔5，所述夹具本体1为U型结构，所述U型结构的内沿构成夹槽，所述夹具螺栓3穿过所述安装孔5并与夹槽配合用于夹持两个法兰，使两个法兰紧紧的连接在一起；
所述夹具螺栓3设有外螺纹，所述安装孔5设有与所述外螺纹对应的内螺纹，所述夹具螺栓3与安装孔5螺纹连接；通过转动所述夹具螺栓3就能调节本夹具的松紧程度。
进一步地，所述夹具本体1和夹具螺栓3均采用Q235普通碳素结构钢材料。
进一步地，所述夹具本体1设有内侧圆角4和外侧圆角2；此处限定的目的在于，圆角形结构的设计可以避免在使用过程因不小心而划伤手。
一种防雷设备跨接夹具的尺寸设计方法，依据管内的压力需求，设计夹具螺栓3的公称直径，具体如下：
已知，管内压力P，
则F＝P·A1/Z
其中，F为轴向工作拉力，A1为管道横截面积，Z为螺栓数目；
其中，ΔF为拉力增量，Cb为法兰盘螺栓刚度，Cm为连接螺栓刚度；
其中，F0为夹具螺栓3预紧力，T为螺栓预紧力矩，由螺栓力矩表可得；d1为连接螺栓小径；
F1＝F0+ΔF-F
故
其中，力矩M1＝(F夹预-F)·r法，F1为残余预紧力，W为接触面抗弯截面系数，A2为接触面面积，[σ p]为接触面许用接触应力，查表可得[σ p]的大小，从而解出M1的大小范围；
由M1＝(F夹预-F)r法得，F夹预的大小范围，
取F夹预的最大值，由
其中，s1为安全系数，σs为材料的屈服强度，大小为235Mpa；
计算出d2的值，取任意一个所述d2的值作为夹具螺栓3公称直径。
请参阅图6-7所示，对所述夹具本体1进行受力分析，X轴为沿夹具本体1的长度方向，Y轴坐标为所述长度方向任意一点对应的应力,计算夹具本体1n-n面所受拉应力σ’，再计算所述U型结构底部的高度h，计算公式如下：
其中，
I为主惯性矩，
所以其中最大受力处σ＝σ”тmax+σ’
由抗拉强度条件σтmax≤[σ т]，其中可解得h的大小范围，
其中，b为夹具本体1的厚度，夹具所受弯曲拉应力和压应力分别为σ”тmax和σ”cmax。
进一步地，利用abaqus软件结合所述夹具本体1、夹具螺栓3的尺寸对夹具本体1进行应力、应变分析，确保夹具本体1受到的应力小于夹具本体1材料的屈服强度，保证其可靠性。
具体实施例如下：
实施例1
管内压力30kg，即P＝3Mpa，则
F＝P·A1/Z＝3*pi*(60/2)2/4＝2120N (3-1)
其中，P为管内压力，A1为管道横截面积，Z为螺栓数目。
其中，Cb为法兰盘螺栓刚度，Cm为连接螺栓刚度。
其中T为螺栓预紧力矩，参阅图4可以查出T的值；d1为连接螺栓小径。
F1＝F0+ΔF-F＝36721+1060-2120＝35661N (3-4)
故
其中，力矩M1＝(F夹预-F)·r法，W为接触面抗弯截面系数，
为接触面面积，[σp]为接触面许用接触应力，查表得，为0.8
σs，σs＝215Mpa。解之得，4.48N·m<M1≤15.00N·m。
由M1＝(F夹预-F)·r法得，2228N<F夹预≤2481N。
取F夹预＝2481N，由
其中，s1为安全系数，取3.0；σs材料的屈服强度，为235Mpa。
由式(3-7)得，d2>6.5mm，取d2＝8mm，即夹具螺栓3公称直径为8mm。
其中，
其中，
I为主惯性矩，
所以其中最大受力处
由抗拉强度条件σтmax≤[σ т]，其中S2＝2，得
h≥15.8mm，取h＝20mm。
将本实施例的数据放进abaqus软件进行分析，分析结果如图8-9所示，由图可知，应力最大处发生在内侧圆角4处，约为21mpa，小于本发明所用材料的屈服强度(235mpa)，且安全裕度较大，保证了其可靠性。
需要说明的是，在本实施例中，ΔF为拉力增量；F为轴向工作拉力:F0为预紧力，F1为残余预紧力，h为所述U型结构底部的高度，b为夹具本体1的厚度。
实施例2
管内压力为90kg，即P＝9Mpa，则
F＝P·A1＇/Z＝9*pi*(60/2)2/4＝6360N (3-13)
其中，P为管内压力，A1’为管道横截面积，Z为螺栓数目。
其中，Cb为法兰盘螺栓刚度，Cm为连接螺栓刚度。
其中T为螺栓预紧力矩，参阅图5可以查出T的值；d1为连接螺栓小径。
F1＝F0+ΔF-F＝57004+3180-6360＝53824N (3-16)
故
其中，力矩M1＝(F夹预-F)·r法，W为接触面抗弯截面系数，
为接触面面积，[σ p]为接触面许用接触应力，查表得，为0.8
σs，σs＝215Mpa。解之得，13.62N·m<M1≤106.24N·m。
由M1＝(F夹预-F)·r法得，6548N<F夹预≤7825N。
取F夹预＝7825N，由
其中，s1为安全系数，取2.0；σs材料的屈服强度，为235Mpa。
由式(3-19)得，d2>9.21mm，取d2＝12mm，即夹具螺栓3公称直径为12mm。
对夹具进行受力分析
其中，
其中，
I为主惯性矩，
所以其中最大受力处
由抗拉强度条件σтmax≤[σ т]，其中S2＝2，得
h≥30.54mm，取h＝50mm。
将本实施例的数据放进abaqus软件进行分析，分析结果如图10所示，由图可知，应力最大处发生在内侧圆角4处，约为39mpa，小于本发明所用材料的屈服强度(235mpa)，且安全裕度较大，大大的保证了其可靠性，使用安全。
需要说明的是，在本实施例中，ΔF为拉力增量；F为轴向工作拉力:F0为预紧力，F1为残余预紧力，h为所述U型结构底部的高度，b为夹具本体1的厚度。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
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