齒嚙式快開壓力容器徑向齒寬有限元分析

張 靜 王 琦 劉少忠 龔 斌

(1. 沈陽化工大學機械工程學院；2. 遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司)

快開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作壓力容器，可只經過一次連續的機械動作完成開啟或閉合[1]，它具有啟閉方便快捷、省時省力、適用壓力范圍廣和承壓能力強的特點，易于實現自動化操作，被廣泛地應用于化工、醫藥、紡織、造紙、食品、建材及航天等重要工業領域中。快開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]。齒嚙式快開壓力容器作為一種最典型的快開容器，其工作原理是：沿快開裝置的圓周方向加工均布的齒，通過將罐蓋旋轉固定角度，實現罐蓋與齒圈之間齒的嚙合和錯開，從而達到快速啟閉的目的[3]。

由于齒嚙式快開壓力容器操作方便，應用廣泛，且容器的啟閉時間可能直接影響生產效率，因此此類設備的品種和數量不斷增加。齒嚙式快開壓力容器多為半間歇操作，容器中的物料需要頻繁更換，容器也需要經常打開清洗。由于承受的溫度和壓力會發生波動，因此容器的應力也隨時間呈周期性變化[4]。因設計參數、選材和制造工藝的不同及使用不當等原因，此類容器頻繁發生爆炸事故，且后果相當嚴重[5～7]。因此對容器連接件的強度、裝配體的剛度、密封問題和抗疲勞性能提出了較高的要求，目前，國內已經展開了大量的研究工作[8～13]。

筆者以某企業設計的浸漆罐上分體齒嚙式快開裝置為研究對象，以徑向齒寬為研究參數對其裝配體進行有限元分析，以了解快開壓力容器在內壓作用下的應力特性和形變量變化規律。

1 有限元模型

齒嚙式快開壓力容器的主要結構一般包括罐蓋、墊圈、罐體、齒圈和安全聯鎖裝置(圖1)。罐蓋法蘭和齒圈在圓周方向有均勻分布的嚙合齒。浸漆罐設計參數為：罐體總高度1 674mm，內徑600mm，罐蓋、罐體壁厚12mm，設計壓力0.6MPa，設計溫度70℃，齒數16，齒圈直徑與徑向齒寬相關。

圖1 齒嚙式快開壓力容器徑向齒寬幾何模型

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

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，其機械性能見表1。

表1 20Ⅱ和Q235的機械性能

運用Nastran軟件分析裝配體時需要對零件間的接觸表面進行網格配對設置：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四節點四面體網格對裝配體模型劃分網格(圖3)，每個零件單元格尺寸為5。同時，考慮局部結構網格細化的要求，將半徑為0.0～0.5mm的小圓角沿圓角周向分割為6個單元，使小結構達到細化極限。

圖3 裝配體網格劃分

研究對象具有周期性結構，其邊界條件設置如圖4所示。對兩個側面施加對稱約束，對罐體底部施加固定約束，對罐蓋和罐體內壁施加內壓力。

圖4 邊界條件設置

2 有限元分析結果

2.1受力和形變

首先對徑向齒寬為26mm的裝配體在0.6MPa內壓條件下的受力和形變量進行了分析(圖5、6)。由圖5可以看出：罐蓋的最大應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應的最大應力處；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內壓條件下的應力

圖6 徑向齒寬為26mm的裝配體在0.6MPa內壓條件下的形變量

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，最大應力和形變量集中在此處。

2.2不同徑向齒寬參數的影響分析

筆者在保持其他設計參數不變的情況下，通過改變徑向齒寬參數對裝配體進行了有限元分析計算。為了解徑向齒寬因素對壓力容器最大應力和最大形變量的影響，在內壓為0.6MPa的條件下，對徑向齒寬在20～32mm范圍內的16個齒的裝配體結構進行有限元分析，得到3個主要部件的最大應力值和最大形變量值(表2、3)。

表2 不同徑向齒寬對各部件最大應力的影響

表3 不同徑向齒寬對各部件最大形變量的影響

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

3 結束語

采用有限元分析法，以徑向齒寬為研究參數對齒嚙式快開壓力容器進行了應力和形變量的分析，計算出各主要承壓部件的最大應力和最大形變量，發現：齒嚙式快開壓力容器的最大應力和最大形變量均位于齒圈齒根處，隨著徑向齒寬的增加，齒圈的最大應力和最大形變量逐漸增加，而罐蓋和罐體的最大應力和最大形變量僅在很小的范圍波動，無明顯變化規律，該結果為今后齒嚙式快開壓力容器的設計與研究提供了一定的參考。

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