魏化中,張志輝，帥 健，杜喆恕

(1.武漢市壓力容器壓力管道安全工程研究中心，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)電工程學(xué)院，北京 102249；4.武漢制藥機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430065)

0 引 言

中藥提取罐是中藥生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，屬于一類壓力容器[1-3]，其下排渣門結(jié)構(gòu)如圖1所示.下排渣門與罐體的安全性能與密封性能是關(guān)系到提取罐能否安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，下排渣門主要出現(xiàn)的問題是泄漏和脫鉤現(xiàn)象，調(diào)查表明，約有80%的泄漏失效是由于下排渣門密封出現(xiàn)問題引起的.隨著生產(chǎn)的大型化發(fā)展，提取罐直徑的增大更有助于提高生產(chǎn)效率，許多中藥企業(yè)需要排渣門直徑進(jìn)一步增大以滿足生產(chǎn)要求.目前，國內(nèi)生產(chǎn)的提取罐的最大直徑為1.4 m，工作壓力約為0.20 MPa.

圖1 下排渣門結(jié)構(gòu)示意圖

注：1——O型密封圈；2——十字軸；3——門蓋；4——橫梁；5——開蓋氣缸；6——罐體；7——夾套；8——鎖緊氣缸；9——搭鉤.

大口徑排渣門的設(shè)計，在滿足強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)緊湊運(yùn)動自如等要求時，還要解決密封問題(排渣門密封結(jié)構(gòu)見圖2)，密封是否良好與門的變形量Δy1和橫梁的變形量Δy2的總和有直接關(guān)系，當(dāng)總變形量大于O形密封圈回彈量Δ，即Δy1+Δy2>Δ時，就會發(fā)生泄漏失效.門、橫梁以及其它部件如十字軸和搭鉤等結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計方法不能精確計算出它們的變形和應(yīng)力情況，因此本文采用有限元方法，設(shè)計壓力取0.20 MPa，計算壓力取水壓實(shí)驗(yàn)壓力0.25 MPa，用ANSYS軟件對橫梁和門進(jìn)行了計算分析和設(shè)計[4-5].

圖2 下排渣門密封結(jié)構(gòu)示意圖

1 Φ1400 mm排渣門結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

排渣門和罐體的密封形式是自緊式密封，密封圈采用由硅橡膠制成的O形密封圈，它具有無毒無味、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn).

生產(chǎn)中，排渣門的失效形式主要是發(fā)生泄漏，這往往是由于門蓋和橫梁的變形量超過密封圈回彈量造成的，密封圈回彈量一般在4～6 mm之間，通過實(shí)驗(yàn)測量，得到當(dāng)門蓋和橫梁的變形量總和大于4 mm時就會發(fā)生泄漏，因此在設(shè)計Φ1 400 mm排渣門時首先考慮剛度，同時保證其強(qiáng)度，排渣門總變形量Δy1+Δy2<4 mm就能滿足密封要求.

2 基于有限元法的Φ1 400 mm排渣門設(shè)計

2.1 橫梁結(jié)構(gòu)有限元計算分析

橫梁是由槽鋼和鋼板焊接而成的組合梁(沿軸縱向平面對稱)，它在空間三個方向具有相同量級的尺度，屬于短粗梁，基于材料力學(xué)的傳統(tǒng)設(shè)計方法已不能精確計算出橫梁的變形和應(yīng)力.而有限元方法能有效的解決這一問題[6].

直徑為1 400 mm排渣門的橫梁所承受的最大載荷達(dá)到385 kN，在對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)設(shè)計后，用ANSYS軟件按以下幾個步驟對橫梁進(jìn)行分析和計算：a、簡化有限元計算模型；b、網(wǎng)格劃分；c、載荷與邊界條件施加；d、計算結(jié)果及其分析說明.劃分網(wǎng)格后橫梁模型(1/2模型)如圖3所示.

通過對實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，可把橫梁簡化為一個簡支梁：一邊是固定鉸支座(圖3左邊界)，一邊是活動鉸支座(圖3右邊界).由于橫梁結(jié)構(gòu)和載荷均對軸縱向平面具有對稱性，有限元分析時，為了減小計算規(guī)模，只需建立1/2模型進(jìn)行計算.單元采用的是8節(jié)點(diǎn)六面體單元solid45，solid45用于仿真三維實(shí)體結(jié)構(gòu).為保證計算精度，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，并且把橫梁中間部分網(wǎng)格細(xì)劃，整個模型單元數(shù)為18 710，節(jié)點(diǎn)數(shù)為31 387，施加相應(yīng)的邊界條件后對其進(jìn)行計算.

圖3 劃分網(wǎng)格后橫梁有限元模型

橫梁的變形計算結(jié)果如圖4所示，可以看出橫梁中心最大變形量達(dá)到Δy=0.766 mm，橫梁中心最大變形處應(yīng)力為σ=85.99 MPa，小于材料許用應(yīng)力[σ]=167 MPa，滿足強(qiáng)度要求.

圖4 橫梁Y方向變形圖

2.2 Φ1 400 mm門的有限元計算分析

經(jīng)多次優(yōu)化和計算，最終所設(shè)計門的結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示，圖5和圖6分別是Φ1 400 mm門的整體有限元模型和剖開以后的有限元模型(除去上平板).它主要由上下兩塊平板、12個加強(qiáng)筋板、錐形圈以及連接板組合而成，由于門蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用彈性理論很難求得精確的數(shù)值解，只能通過適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和近似才能得到彈性理論分析的近似結(jié)果，而且計算過程過于復(fù)雜.應(yīng)用有限元法可以有效地解決這一復(fù)雜問題，使工作量大大減少，而且結(jié)果精度更高[7].

用ANSYS軟件，按以下幾個步驟對門進(jìn)行分析：a、簡化模型；b、網(wǎng)格劃分；c、載荷與邊界條件施加；d、計算結(jié)果及其分析說明.為了保證計算精度，單元選取三維solid45體單元，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，整個模型單元數(shù)為42 498，節(jié)點(diǎn)數(shù)為79 587，門上施加0.25 MPa的均布壓力，在對連接板上施加相應(yīng)位移約束后進(jìn)行計算.

圖5 Φ1 400 mm門的整體有限元模型

圖6 剖開后Φ1 400 mm門的有限元模型

圖7 Φ1400 mm門蓋Von mises 應(yīng)力云圖

圖7和圖8分別為計算完成后Φ1 400 mm門的Von mises 等效應(yīng)力云圖和Y向變形云圖，可以得出最大變形量為1.258 mm，筋板上最大應(yīng)力達(dá)到137 MPa，對危險截面按照J(rèn)B4732-1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[7]進(jìn)行應(yīng)力評定滿足要求.

圖8 Φ1 400 mm門蓋Y方向變形云圖

3 水壓試驗(yàn)結(jié)果同有限元結(jié)果對比

對所設(shè)計新結(jié)構(gòu)排渣門提取罐做水壓試驗(yàn)，并在排渣門下面布置兩個千分表分別用來測量橫梁和門的變形量，當(dāng)水壓實(shí)驗(yàn)壓力升到0.25 MPa后，保壓一小時，整個提取罐密封良好滿足要求，測出了在此壓力下橫梁和門的變形量，其結(jié)果同有限元計算結(jié)果對比如表1所示，通過對比可以看出，有限元結(jié)果小于水壓試驗(yàn)結(jié)果，這是由于在工作時排渣門其它部件如十字軸和搭鉤都會產(chǎn)生一定量的變形造成的，它們的變形量都很小，對結(jié)果影響不大.總體來說有限元計算結(jié)果與水壓試驗(yàn)測試結(jié)果比較吻合，有限元方法可以較準(zhǔn)確地模擬橫梁和門的真實(shí)變形和應(yīng)力分布情況，說明有限元模型是合理的.

表1 水壓試驗(yàn)結(jié)果和有限元計算結(jié)果對比

4 結(jié) 語

a.有限元方法應(yīng)用于中藥提取罐下排渣門復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，可以準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜形體部件的變形和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而對其優(yōu)化設(shè)計作出指導(dǎo).

b.本文設(shè)計方法對中藥提取罐大口徑排渣門的設(shè)計具有一定的參考價值.

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:12-15

[2]鄭津洋.快速開關(guān)蓋式壓力容器(一)[J].化工裝備技術(shù),1997,18(1):30-38.

[3]張紅衛(wèi)，陳剛，劉岑，等.標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭對薄壁內(nèi)壓圓筒承載能力的影響[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報，2010，32(3)：103-106.

[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.

[5]王仕仙,徐建生,盧霞.基于ANSYS的滑動摩擦熱結(jié)構(gòu)耦合分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2009,31(5):67-71.

[6]孫慶新,陳旭勇,楊冬波.鋼構(gòu)連續(xù)彎板橋空間有限元分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2009,31(5):41-43.

[7]JB4732-1995,鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].