蒸壓釜組合嚙合度下齒塊疲勞的有限元分析

王兵，叢湘純，張穎，劉延雷，高晗

（1.杭州市特種設(shè)備檢測院，浙江杭州310003；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318；3.中國石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163318）

蒸壓釜組合嚙合度下齒塊疲勞的有限元分析

王兵1，叢湘純2，張穎2，劉延雷1，高晗3

（1.杭州市特種設(shè)備檢測院，浙江杭州310003；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318；3.中國石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163318）

蒸壓釜多采用齒嚙式快開結(jié)構(gòu)，在使用中其嚙合齒塊常產(chǎn)生錯動，在長期循環(huán)載荷作用下，齒根處易發(fā)生疲勞失效。以一臺實際齒嚙式蒸壓釜為例，采用有限元分析方法，對不同嚙合度下的嚙合齒塊進(jìn)行有限元分析，找出齒間應(yīng)力值最大的危險工況進(jìn)行疲勞分析。經(jīng)過分析可知，理想嚙合狀態(tài)下的蒸壓釜使用壽命在15年左右，而在危險組合嚙合度工況下的蒸壓釜壽命僅為4.5年。因此，在工程應(yīng)用中應(yīng)避免蒸壓釜嚙合齒塊出現(xiàn)錯動現(xiàn)象，以保證其安全使用。

快開結(jié)構(gòu)；嚙合度；有限元分析；疲勞分析

蒸壓釜在工作過程中需要頻繁開啟，其壓力、溫度呈周期性變化，承受交變載荷的作用。長期運行工作發(fā)現(xiàn)在其嚙合齒塊齒側(cè)出現(xiàn)裂紋，同時由于操作的失誤和制造的誤差，多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)齒間發(fā)生錯動，從而促使裂紋的生成[1-2]。針對這一現(xiàn)象，為了分析嚙合齒塊組合嚙合度對蒸壓釜疲勞壽命的影響，本文對一臺實際齒嚙式蒸壓釜進(jìn)行了模擬及分析。根據(jù)蒸壓釜的結(jié)構(gòu)尺寸，建立有限元模型，對不同嚙合度下的嚙合齒塊進(jìn)行有限元分析，計算嚙合齒塊的最大應(yīng)力值，確定出現(xiàn)應(yīng)力峰值的危險工況。設(shè)定齒塊完全嚙合為理想嚙合狀態(tài)即標(biāo)準(zhǔn)工況，對兩種工況下的嚙合齒塊進(jìn)疲勞分析，從而得到蒸壓釜的疲勞壽命。

1 理想嚙合狀態(tài)下的嚙合齒塊有限元分析

蒸壓釜主要由頂蓋、頂蓋法蘭、端部法蘭和圓筒四部分組成。內(nèi)徑2 850 mm，釜體壁厚20 mm，釜蓋厚22 mm.法蘭為一圓環(huán)形塊狀結(jié)構(gòu)，材料為Q345鍛件，工作壓力為1.5 MPa，設(shè)計壓力為1.6 MPa，設(shè)計溫度210℃，設(shè)計疲勞壽命為105次。

（1）有限元模型建立：蒸壓釜釜體的接觸面為40對嚙合齒，在圓周方向均勻分布。取一個法蘭齒及兩側(cè)相鄰半個齒間隙作為研究對象，相鄰齒之間中心夾角為9°，截取局部子結(jié)構(gòu)建立計算模型之間的部分，通過Solidworks建立三維模型導(dǎo)入ANSYS，從而建立齒嚙式快開結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖1所示。

圖1 快開結(jié)構(gòu)有限元模型

（2）劃分網(wǎng)格及邊界條件的確定：選用實體單元SOLID186，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇六面體單元進(jìn)行Sweep掃掠劃分，并且在兩法蘭的接觸面執(zhí)行網(wǎng)格細(xì)化操作。在模型結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面施加均勻載荷1.6 MPa，在蒸壓釜快開裝置結(jié)構(gòu)對稱面和釜頭切面上施加軸對稱約束，在嚙合齒塊的幾何對稱中心處施加徑向位移約束。

（3）接觸分析：在實際操作中，釜體法蘭和釜蓋法蘭是通過嚙合齒之間的接觸來實現(xiàn)力的傳遞和彼此之間約束的[3]，故采用單元TARGET170和CON TAT174，分別以釜體法蘭齒下表面為目標(biāo)面，釜蓋法蘭齒上表面為接觸面創(chuàng)建接觸對。

（4）求解：對蒸壓釜實體模型加載后，可進(jìn)行后續(xù)計算。根據(jù)求解結(jié)果可知，嚙合齒塊齒間最大應(yīng)力值為352.10 MPa.

2 危險工況的確定

由于操作失誤和制造誤差等因素的影響，導(dǎo)致釜齒嚙合不到位的情況一般有三種：周向未完全嚙合、徑向未完全嚙合以及由這二個方向未完全嚙合形成的組合式工況。以理想嚙合狀態(tài)下的嚙合齒塊模型為基礎(chǔ)，通過調(diào)整參數(shù)值使嚙合齒面形成錯動。分別對周向嚙合度為100%、95%、90%、80%四種情況，徑向錯動為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm五種情況以及兩種錯動疊加的不同組合嚙合度情況，采用上述分析方法，對模型進(jìn)行有限元分析，得到不同嚙合度下嚙合齒塊間最大應(yīng)力值。根據(jù)計算結(jié)果，提取不同嚙合度下的嚙合齒塊齒間最大應(yīng)力值，列入表1中。

表1 不同嚙合度下嚙合齒間應(yīng)力最大值

由表1可知，在徑向錯動3 mm，周向嚙合度為80%的情況下，齒間應(yīng)力達(dá)到峰值，在此高應(yīng)力作用下齒塊產(chǎn)生裂紋的可能性較大，因此本文重點對此種工況下的齒塊進(jìn)行疲勞分析。

3 疲勞分析

3.1 蒸壓釜工作周期

蒸壓釜在一個工作周期內(nèi)，工作狀態(tài)分為3個階段：升溫升壓、恒溫恒壓和降溫降壓，其低周循環(huán)載荷下壓力隨時間變化的情況如圖2所示。

圖2 蒸壓釜工作循環(huán)曲線

3.2 理想嚙合狀態(tài)下齒塊疲勞分析

蒸壓釜在長期低周循環(huán)載荷作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，因此對于嚙合齒塊的疲勞分析所加載荷不再是簡單的設(shè)計壓力，根據(jù)蒸壓釜實際的壓力變化對模型施加低周循環(huán)載荷。采用簡化的彈塑性假設(shè)和Miner積累疲勞求和法則。利用“雨流”法自動計算所有可能的應(yīng)力范圍，并跟蹤這些應(yīng)力發(fā)生的次數(shù)。儲存最大應(yīng)力點的應(yīng)力，進(jìn)行疲勞分析設(shè)置，輸入S-N數(shù)據(jù)，便可進(jìn)行疲勞分析，得到疲勞壽命和疲勞積累損傷系數(shù)[4]。根據(jù)線性疲勞積累損傷準(zhǔn)則，各應(yīng)力幅造成的損傷程度累計疊加不應(yīng)超過1.當(dāng)疲勞損傷系數(shù)超過1時，說明結(jié)構(gòu)已發(fā)生疲勞[5]。

采用上述有限元分析方法，對嚙合齒塊模型施加低周循環(huán)載荷，通過時間歷程分析求解，得到嚙合齒塊在低周循環(huán)載荷下的應(yīng)力云圖，如圖3（a）所示。提取分析結(jié)果的最大應(yīng)力，并記下節(jié)點號126，此處最大應(yīng)力值為333.21 MPa.

圖3 循環(huán)載荷下嚙合齒塊應(yīng)力云圖

為了分析蒸壓釜在不同循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度，對嚙合齒塊分別進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000、14 000、16 000、17 000和18 000的模擬，其疲勞累積損傷系數(shù)匯于表2.

表2 理想嚙合狀態(tài)下疲勞累積損傷系數(shù)計算結(jié)果匯總

從表2看出，節(jié)點126隨著循環(huán)次數(shù)增加，疲勞累積損傷系數(shù)逐漸增大，循環(huán)次數(shù)每增加2 000次，疲勞積累損傷系數(shù)大概增加0.1左右，其中在循環(huán)次數(shù)為18 000時，最大應(yīng)力節(jié)點的疲勞累積損傷系數(shù)大于1，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)出現(xiàn)疲勞，繼續(xù)下去就會出現(xiàn)疲勞失效。在循環(huán)次數(shù)為17 000下的疲勞積累損傷系數(shù)為0.987，沒有超過1，因此可以得出結(jié)論，疲勞壽命大概在循環(huán)次數(shù)在17 000次（每天按3次算，約15.5年）。

3.3 危險組合嚙合度工況下的嚙合齒塊疲勞分析

在危險組合嚙合度工況下，齒塊齒間應(yīng)力值高于理想嚙合工況，更易產(chǎn)生疲勞失效。這種狀態(tài)下的疲勞分析也就十分重要。依然采用上述方法，對嚙合齒塊進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力云圖如圖3（b）所示。提取分析結(jié)果的最大應(yīng)力，并記下節(jié)點號148，此時最大應(yīng)力值為584.21 MPa.對嚙合齒塊分別進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為2 000、4 000、5 000、6 000和8 000的模擬，計算結(jié)果歸納如表3所示。

表3 危險組合嚙合工況下疲勞累積損傷系數(shù)計算結(jié)果匯總

表3數(shù)據(jù)顯示，在危險組合嚙合度工況下，循環(huán)次數(shù)每增加2 000次，疲勞累積損傷系數(shù)大概增加0.3左右，增加速度明顯比理想嚙合狀態(tài)時快。其中疲勞分析結(jié)果是節(jié)點148在循環(huán)次數(shù)為5 000下的疲勞積累損傷系數(shù)為0.866 77，沒有超過1，而在6 000次下，已超過1.因此，在危險組合嚙合度工況下，疲勞壽命在循環(huán)次數(shù)5 000次左右（每天按3次算，約4.5年）。

4 結(jié)束語

本文以一臺齒嚙式蒸壓釜為例，對其不同嚙合工況下齒塊進(jìn)行疲勞分析，得到如下結(jié)果：

（1）在理想嚙合狀態(tài)下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，疲勞積累損傷系數(shù)逐漸增大，節(jié)點126在循環(huán)次數(shù)為17 000下的疲勞積累損傷系數(shù)為0.987＜1，因此疲勞壽命大概在循環(huán)次數(shù)17 000次（每天按3次算，約15.5年）。

（2）在危險組合嚙合度工況下，節(jié)點148在循環(huán)次數(shù)為5 000下的疲勞積累損傷系數(shù)為0.866 77＜1，疲勞壽命大概在循環(huán)次數(shù)在5 000次（每天按3次算，約4.5年）。

根據(jù)本文的分析結(jié)果，蒸壓釜在低周循環(huán)載荷的作用下，如果齒塊間發(fā)生錯動，會很大程度影響容器的疲勞強(qiáng)度，在實際中要盡量避免此種情況的出現(xiàn)。

[1]曹福想，簡志良，黃仕偉，等.一起蒸壓釜爆炸事故的原因分析[J].化學(xué)工程與裝備，2011，（5）：178-179.

[2]Kirsten Weide-Zaagea，David Dalleau.Static and dynamic analysis of failure locations and void formation in intercon nects due to various migration mechanisms[J].Materials Sci ence in Semiconductor Processing.2003（6）：85-92.

[3]楊剛，經(jīng)樹棟.齒嚙式快開壓力容器的接觸分析[J].化工設(shè)備與管道，2006，43（3）：19-23.

[4]余偉煒，高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006：345-356.

[5]金偉婭，張康達(dá).可靠性工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：100-101.

Finite Element Analysis of Meshing Tooth Fatigue Under Combined Meshing Degree of Autoclave

WANG Bing1，CONG Xiang-chun2，ZHANG Ying2，LIU Yan-lei1，GAO Han3
（1.Hangzhou Special Equipment Inspection Institute，Hangzhou Zhejiang 310003，China；2.Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China；3.Daqing Chemical Research Center，Petro China Petrochemical Research Institute，Daqing Heilongjiang 163318，China）

The autoclave more adopts the tooth-meshing quick-opening structure，and its meshing teeth are often dislocated in use.Under long-term cyclic loading，the tooth root is prone to fatigue failure.In this paper，a toothmeshing autoclave is taken as an example.The finite element analysis method was carried out on the meshing teeth with different meshing degrees.Find a serious dangerous working condition that the stress value reached maximum.And then start fatigue analysis.The results show that the service life of the autoclave is about 15 years in the ideal meshing state，and 4.5 years in the dangerous combination meshing condition.Therefore，in the engineering application the autoclave should avoid meshing tooth block appears the phenomenon of dislocation，in order to ensure its safe use.

combined meshing degree；quick-opening structure；finite element analysis；fatigue analysis

TH49

A

1672-545X（2017）03-0054-03

2016-12-06

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2015QK085）

王兵（1982-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向為特種設(shè)備安全檢驗。