４０　齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定　

齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定　

涂文锋　胡兆吉　裘雪玲　张俊　黄志栋　（南昌大学环境科学与工程学院）　（铁道部鹰潭木材防腐厂压力容器厂）　

摘要对木材防腐罐齿啮式快开盖中的顶盖法兰和端部法兰进行了有限元应力分　析，得到了顶盖法兰和端部法兰的受力特性和应力分布规律，并进行了强度评定。　关键词　齿啮式快开盖　压力容器　有限元分析　强度评定　

０前言　齿啮式快开盖密封装置是通过将顶盖法兰　旋转某一角度，可实现顶盖法兰齿和端部法兰　齿之间的啮合和错开，从而达到快速开关的目　的。它具有启闭快、承压能力强等优点，在需　要频繁开关盖的压力容器中得到了广泛的应　用，如医用高压氧舱、橡胶硫化罐、大型消毒　罐及本文的木材防腐罐等等　］。目前快开机构　的设计计算只能参照国内外的类似计算规定，　如日本的工业标准ＪＩＳ　Ｂ８２８４一ｌ９９Ｍ压力容器　快速开关盖装置》、前苏联的《蒸压釜的容许工　作压力计算》和我国的ＧＢ１５０—１９９８《钢制压　力容器》中“卡箍紧固结构”计算方法等。迄今　为止还没有齿啮式快开盖的设计规范标准供选　用　。　＊涂文锋，男，１９７９年２月生，硕士研究生。南昌市，３３００２９。　为揭示齿啮式快开盖的受力特性和应力分　布规律，笔者对某厂一台木材防腐罐（内径为　１０００ｍｍ，设计压力为４．０ＭＰａ，设计温度为　７０　Ｃ，法兰材质为１６Ｍｎ锻件）中凸形封头齿啮　式快开盖的顶盖法兰和端部法兰这两个重要部　分进行了有限元应力分析并对其进行了强度评　定。必须指出的是，由于该防腐罐的设计参数　超过了相应的标准规定，其设计计算并无相应　的规范可供参考。为此，笔者根据现有文献的　计算方法，对该罐设计条件下的结构尺寸进行　了初步计算。下面的有限元应力分析即是以计　算所得结构尺寸为基础进行的。　１　木材防腐罐快开装置的结构　木材防腐罐快开装置的结构一般由凸形顶　盖、顶盖法兰、（）型密封圈、筒体、端部法兰、　

粉煤］　卜干燥一笼式破碎一混捏一成型一干燥一产品　黏土—Ｊ　十　Ｊ　纸浆废液一泵一高位槽　图ｌ型煤生产工艺流程　破碎机破碎并混合，纸浆废液定量给入双轴混　捏机与细粒搅拌均匀，再送入成型机压制成型，　最后干燥成为产品。　６结束语　（１）依兰粉煤成型后制得型煤，其气化性　能虽不如依兰块煤好，但从经济角度综合评定　则利润可提高８０　。　（２）黏结剂来源广，廉价，工艺简单。　（收稿日期：２００４一ｌ２—０６）

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图ｌ　齿啮式法兰的啮合结构　卜一顶盖２顶盖法兰３端部法兰４～简体　５端部法兰齿６顶盖法兰齿　开盖起吊装置和安全联锁装置等组成。顶盖法　兰和端部法兰在圆周方向有均匀分布且可相互　配合的１２个啮合齿。顶盖法兰和端部法兰的啮　合结构如图１所示。　２有限元分析模型　２．１几何模型　“　由于整个结构中齿的间断分布，顶盖法兰　和端部法兰不是严格的轴对称结构，它们的受　力和变形可归结为一个广义轴对称问题，需用　三维有限元方法进行计算。根据其结构特点，法　兰上共有１２个齿均布，为简化计算过程，可取　整个结构的１／１２作为分析模型。对端部法兰来　说即以相邻两齿间平分面（夹角为３０。）和横截　面所包围部分；对顶盖法兰来说即以相邻两齿　间平分面（夹角为３０。）和凸形顶盖一起。其中，　为消除端部法兰啮合齿处的高应力对简体的影　响，可取从简体壁厚ｔ一１６ｒａｍ算起的１ＯＯｍｍ　进人分析模型；齿间平分面是指经过容器轴线　平分齿间的平面。　２．２　网格划分　由于在有限元计算中，六面体网格较四面　体网格精确，故尽可能将其划分成六面体形式　的网格。顶盖法兰部分较为规则，采用了三维　８节点六面体单元，并将其划分成六面体网格，　而凸形顶盖则只能用四面体网格，采用了三维　２Ｏ节点六面体单元，整个封头（顶盖法兰和凸　形顶盖）结构共有４２８１８个单元；端部法兰和简　体部分则可全部采用三维２Ｏ节点六面体单元，　共划分单元ｌ１６１０个。两部分结构的分析模型　及网格如图２所示。　

（ａ）封头部分　

（ｂ）端鄙法兰和筒俸部分　图２两部分结构的有限元分析模型及网格　２．３边界条件　２．３．１封头部分　封头顶部沿径向和周向的位移为０，齿问　平分面上施加法线方向的固定约束，法兰底部　与密封圈接触的环面上施加ｙ方向的固定约　束。封头内表面和法兰底部靠内圈（密封圈以　内）作用均布内压Ｐ：４．ＯＭＰａ，啮合齿的顶部　作用均布载荷Ｐ　一５９．７９ＭＰａ（与轴向内压载　荷等效，均布于啮合齿上的压力载荷）。　２．３．２端部法兰和筒体部分　简体底部截面的ｙ方向位移为０，齿间平　分面上有法线方向的固定约束。简体内表面和　

密封圈以内侧的简体截面受均布压力Ｐ一　维普资讯 http://www.cqvip.com ４２　齿啮式快开盖压力容器的有限元分析及强度评定　４．ＯＭＰａ，啮合齿下部表面上作用有５９．７９ＭＰａ　的压力，筒体底部截面作用边界等效均布压力　户一一６１．５１６　ＭＰａ。　３　有限元计算结果分析及强度评定　３．１　有限元计算结果分析　３．１．１　封头部分　齿啮式快开盖装置的封头部分在设计压力　作用下表现出的应力强度如图３所示，高应力　集中在法兰与啮合齿的底部结合处，其中在齿　的左下角处（图３）达到最大４０７．５５１ＭＰａ。从齿　的断面上看，应力强度沿齿厚方向由上至下递　增。由于啮合齿的上表面受压，从而导致上表　面的高应力强度要较下表面更广。法兰部分的　应力则以靠近齿处为大，其余部分仍处在低应　力区；凸形顶盖的应力水平基本一致。　

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布厶图　３．１．２端部法兰和筒体部分　齿啮式快开盖装置筒体部分的应力强度总　体分布云图如图４所示。在齿的啮合处根部表　现出很高的应力强度，并在其两端达到最大为　３８８．５１４ＭＰａ（图４），相对顶盖法兰而言，筒体　的最大应力要小于顶盖法兰，但齿的应力分布　规律都基本相同。法兰上的高应力区出现在其　与顶盖法兰啮合的拐角处，总体应力不大，尤　其是在密封圈附近。随着向筒体的过渡，壁厚　越来越薄，其应力水平也就相应增大。　３．２强度评定　我国ＪＢ４７３２压力容器分析设计标准要求　图４　端邵法兰和简体的应力强度总体分布云图　对计算部位的应力作详细计算，按应力的性质、　影响范围及分布状况将应力分类为一次应力、　二次应力和峰值应力。对于不同性质的应力给　予不同的限制条件。　应力强度的评定方法可分为点处理法和线　处理法，对于复杂结构还可以采用面处理法　］。　本文采用线处理法，即将结构各计算部位应力，　按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处　理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后　进行应力分类评价，均匀化处理后的平均应力，　其值属薄膜应力；当量线性化处理后，线性部　分应力属弯曲应力，剩余的非线性部分即为峰　值应力。　其应力限制条件如下：　（１）一次局部薄膜应力强度　５．≤１．５Ｓ　一１．５　Ｘ　１５０—２２５ＭＰａ　（２）一次应力加二次应力的组合应力强度　５　≤３Ｓ　：３Ｘ１５０—４５０ＭＰａ　３．２．１封头部分　从应力强度分布云图来看，啮合齿的左下　角为应力最大点。根据应力处理线的划定原则，　从此点分别沿齿厚方向和齿宽方向画出两条应　力处理线Ｃ和Ｄ（图５），另外，根据分析设计标　准中应力强度校核的原则，即取通过各类应力　最大点且沿最小壁厚方向的直线作为应力处理　线　，在顶盖法兰壁厚方向及法兰厚度方向各　划出一条应力处理线Ａ和Ｂ，从４个不同部位　ｎ¨　∞“。　眦¨”“　。　∞”的　∞　、　＂∞　虬，０　，、　＿口吕吕吕－＿口口＿＿

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表２　筒体各应力处理线的评定结果　

对结构进行强度评定（应力强度值见表１）。从　各应力处理线　。和５　的值来看，均能满足要　求，但明显可知法兰的径向与齿厚方向存在较　大的应力差。　

【刳５封头强度评定的应力处理线　Ｄ　＾Ｎ　

Ｂ　Ａ　图６端部法兰和简体强度评定的应力处理线　３．２．２端部法兰和筒体部分　从应力强度分布云图中选定啮合齿根部的　最大应力点，分别沿齿厚、齿宽方向画出两条　应力处理线Ｄ和Ｅ（图６）。另外，根据分析设计　标准中应力强度校核的原则（同上），针对本结　构，选取如图６中的三条线Ａ、Ｂ、Ｃ（应力强度　值见表２）。从评定结果来看，也都满足要求，但　从５。、５　的数值可以推断出啮合齿与法兰的　结合部位以及筒体的下部是高强度区，因而在　设计、制造过程中应保证其尺寸。　４　结论　经过对该结构的有限元分析计算，木材防　腐罐齿啮式快开门装置在给定的操作工况及结　构尺寸参数条件下，其强度满足相应要求。　参　考　文　献　ｌ郑津洋，快速开关盖式压力容器（一），化工装备技术，　ｌ９９７，ｌ８（１）：３０　３８　２杨卫国．化工装备中齿啮式快开盖设计探讨．广州化　工，２ｏｏｌ，２９（３）：３８　４ｏ　３金伟娅，等．硫化罐卡箍结构的分析计算．压力容器，　２００２，ｌ　９（２）：ｌ８　２ｏ　４　黄进．等，整体转圈齿啮式快开装置的强度分析及工程　设计方法研究．化工装备技术，２０００．２ｌ（４）：ｌ８　２７　５贺匡国编著，压力容器分析设计基础．北京：机械工业　出版社，ｌ　９９５．　６　ＪＢ４７３２　９５《钢制搓力容器一分析设计标准》标准释　义．１９９５版．　（收稿日期：２００５—０ｌ—ｌ５）

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