齒嚙式快開(kāi)壓力容器徑向齒寬有限元分析

張 靜 王 琦 劉少忠 龔 斌

(1. 沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2. 遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司)

快開(kāi)式壓力容器是指容器的罐蓋和罐體之間帶有相互嵌套的快速密封鎖緊裝置的一種快速動(dòng)作壓力容器，可只經(jīng)過(guò)一次連續(xù)的機(jī)械動(dòng)作完成開(kāi)啟或閉合[1]，它具有啟閉方便快捷、省時(shí)省力、適用壓力范圍廣和承壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，被廣泛地應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、紡織、造紙、食品、建材及航天等重要工業(yè)領(lǐng)域中。快開(kāi)式壓力容器主要有蒸壓釜、蒸煮鍋、殺菌鍋、消毒鍋及硫化罐等[2]。齒嚙式快開(kāi)壓力容器作為一種最典型的快開(kāi)容器，其工作原理是：沿快開(kāi)裝置的圓周方向加工均布的齒，通過(guò)將罐蓋旋轉(zhuǎn)固定角度，實(shí)現(xiàn)罐蓋與齒圈之間齒的嚙合和錯(cuò)開(kāi)，從而達(dá)到快速啟閉的目的[3]。

由于齒嚙式快開(kāi)壓力容器操作方便，應(yīng)用廣泛，且容器的啟閉時(shí)間可能直接影響生產(chǎn)效率，因此此類設(shè)備的品種和數(shù)量不斷增加。齒嚙式快開(kāi)壓力容器多為半間歇操作，容器中的物料需要頻繁更換，容器也需要經(jīng)常打開(kāi)清洗。由于承受的溫度和壓力會(huì)發(fā)生波動(dòng)，因此容器的應(yīng)力也隨時(shí)間呈周期性變化[4]。因設(shè)計(jì)參數(shù)、選材和制造工藝的不同及使用不當(dāng)?shù)仍颍祟惾萜黝l繁發(fā)生爆炸事故，且后果相當(dāng)嚴(yán)重[5～7]。因此對(duì)容器連接件的強(qiáng)度、裝配體的剛度、密封問(wèn)題和抗疲勞性能提出了較高的要求，目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)展開(kāi)了大量的研究工作[8～13]。

筆者以某企業(yè)設(shè)計(jì)的浸漆罐上分體齒嚙式快開(kāi)裝置為研究對(duì)象，以徑向齒寬為研究參數(shù)對(duì)其裝配體進(jìn)行有限元分析，以了解快開(kāi)壓力容器在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力特性和形變量變化規(guī)律。

1 有限元模型

齒嚙式快開(kāi)壓力容器的主要結(jié)構(gòu)一般包括罐蓋、墊圈、罐體、齒圈和安全聯(lián)鎖裝置(圖1)。罐蓋法蘭和齒圈在圓周方向有均勻分布的嚙合齒。浸漆罐設(shè)計(jì)參數(shù)為：罐體總高度1 674mm，內(nèi)徑600mm，罐蓋、罐體壁厚12mm，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa，設(shè)計(jì)溫度70℃，齒數(shù)16，齒圈直徑與徑向齒寬相關(guān)。

圖1 齒嚙式快開(kāi)壓力容器徑向齒寬幾何模型

利用三維設(shè)計(jì)軟件UGNX建立罐蓋、罐體、墊圈和齒圈的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行裝配(圖2)。由于容器具有周期性特點(diǎn)，取其中一個(gè)周期作為研究單元。

圖2 裝配體有限元模型

法蘭、齒圈的材料均為20Ⅱ，罐蓋封頭和罐體的材料為Q235，其機(jī)械性能見(jiàn)表1。

表1 20Ⅱ和Q235的機(jī)械性能

運(yùn)用Nastran軟件分析裝配體時(shí)需要對(duì)零件間的接觸表面進(jìn)行網(wǎng)格配對(duì)設(shè)置：罐蓋法蘭與墊圈接觸，齒圈與墊圈接觸，齒圈與罐體法蘭接觸。選擇3D四節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格對(duì)裝配體模型劃分網(wǎng)格(圖3)，每個(gè)零件單元格尺寸為5。同時(shí)，考慮局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格細(xì)化的要求，將半徑為0.0～0.5mm的小圓角沿圓角周向分割為6個(gè)單元，使小結(jié)構(gòu)達(dá)到細(xì)化極限。

圖3 裝配體網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象具有周期性結(jié)構(gòu)，其邊界條件設(shè)置如圖4所示。對(duì)兩個(gè)側(cè)面施加對(duì)稱約束，對(duì)罐體底部施加固定約束，對(duì)罐蓋和罐體內(nèi)壁施加內(nèi)壓力。

圖4 邊界條件設(shè)置

2 有限元分析結(jié)果

2.1受力和形變

首先對(duì)徑向齒寬為26mm的裝配體在0.6MPa內(nèi)壓條件下的受力和形變量進(jìn)行了分析(圖5、6)。由圖5可以看出：罐蓋的最大應(yīng)力位置在罐蓋法蘭與墊圈的接觸面上，其值為106.3MPa；齒圈的最大應(yīng)力位置在與墊圈接觸的平面上并靠近溝槽處，其值為299.5MPa；罐體的最大應(yīng)力位置在罐體法蘭上，其值為116.3MPa。從圖6可以看出：各部件的最大形變量位置均位于其對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力處；罐蓋的形變量最大值為4.471×10-4mm/mm；齒圈的形變量最大值為12.600×10-4mm/mm；罐體的形變量最大值為4.893×10-4mm/mm。

圖5 徑向齒寬為26mm的裝配體在0.6MPa內(nèi)壓條件下的應(yīng)力

圖6 徑向齒寬為26mm的裝配體在0.6MPa內(nèi)壓條件下的形變量

綜上所述，在主要承壓部件中，齒圈齒根位置受力狀況最不好，最大應(yīng)力和形變量集中在此處。

2.2不同徑向齒寬參數(shù)的影響分析

筆者在保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變徑向齒寬參數(shù)對(duì)裝配體進(jìn)行了有限元分析計(jì)算。為了解徑向齒寬因素對(duì)壓力容器最大應(yīng)力和最大形變量的影響，在內(nèi)壓為0.6MPa的條件下，對(duì)徑向齒寬在20～32mm范圍內(nèi)的16個(gè)齒的裝配體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到3個(gè)主要部件的最大應(yīng)力值和最大形變量值(表2、3)。

表2 不同徑向齒寬對(duì)各部件最大應(yīng)力的影響

表3 不同徑向齒寬對(duì)各部件最大形變量的影響

分析表2得出：在同一內(nèi)壓條件下，齒寬在20～32mm范圍內(nèi)，隨著徑向齒寬的增大齒圈的最大應(yīng)力明顯上升，而罐蓋和罐體的最大應(yīng)力在很小的范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，變化規(guī)律不明顯。由表3分析出：在同一內(nèi)壓條件下，齒寬在20～32mm范圍內(nèi)，隨著徑向齒寬的增大罐蓋和罐體的最大形變量在很小的范圍內(nèi)無(wú)規(guī)律的上下波動(dòng)，而齒圈的最大形變量呈現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢(shì)。因此，徑向齒寬變化對(duì)齒圈的應(yīng)力和形變量有較大的影響，而對(duì)罐蓋和罐體的應(yīng)力和形變量的影響不明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用有限元分析法，以徑向齒寬為研究參數(shù)對(duì)齒嚙式快開(kāi)壓力容器進(jìn)行了應(yīng)力和形變量的分析，計(jì)算出各主要承壓部件的最大應(yīng)力和最大形變量，發(fā)現(xiàn)：齒嚙式快開(kāi)壓力容器的最大應(yīng)力和最大形變量均位于齒圈齒根處，隨著徑向齒寬的增加，齒圈的最大應(yīng)力和最大形變量逐漸增加，而罐蓋和罐體的最大應(yīng)力和最大形變量?jī)H在很小的范圍波動(dòng)，無(wú)明顯變化規(guī)律，該結(jié)果為今后齒嚙式快開(kāi)壓力容器的設(shè)計(jì)與研究提供了一定的參考。

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