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1、18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整体转圈齿啮式快开装置的强度分析3及工程设计方法研究33黄 进 郑津洋 陈志平 孙国有(浙江大学化工机械研究所)摘 要 主要对一种带椭圆形封头的整体转圈齿啮式快开装置的结构强度及其工程设计方法进行了分析与讨论。通过对其进行弹性力学、因素分析、有限元分析等方面的研究,得到了该型齿啮式快开装置的工程设计方法,并制定了一系列参考尺寸。该分析方法对其它形式的齿啮式快开装置的强度及其工程设计方法分析也有一定参考价值。 关键词 齿啮式快开装置 椭圆形封头 强度
2、 因素分析1 工程背景 齿啮式快开装置是一种开启方便、适用压力范围广、承压能力强的快速开关盖装置,它被广泛地使用于需要频繁启闭容器端盖的间歇操作场合。由于结构和受力的复杂性,对齿啮式快开装置的研究多限于带平封头的结构,对带凸形封头的齿啮式快开装置研究不多。然而,(a)与筒体连成整体 (b)采用整体卡箍的当容器直径较大、压力较高时,往往又需要采的齿啮式快开型 齿啮式快开型用凸形封头,尤其是椭圆形封头。图1 齿啮式快开型 目前,国内外对带平封头结构的各种齿啮法规定的限制条件,则修改尺寸参
3、数,重复第式快开盖装置已作了许多研究,并且得到了一一步计算步骤,直到得到满足各危险截面应力些工程设计方法。例如日本工业标准JISB限制条件的尺寸参数为止;如果已满足应力限8284-1993《压力容器快速开关盖装置》中介绍制条件,但某一个或几个尺寸参数过大,还需了带平封头的与筒体连成整体的齿啮式快开型进行调整,重复第一步计算步骤,直到得到满(见图1a)和采用整体卡箍的齿啮式快开型(见意的尺寸。但该设计方法有如下几个缺点:第图1b)的工程设计方法。一,由于设计方法没有揭示各尺寸参数对各应 现有工程设计方法的
4、一般步骤是:首先,根力水平影响的程度,在对齿啮式快开结构了解据设计经验初步确定一组结构尺寸参数,计算和研究程度有限的情况下,尺寸参数的选择和得到各危险截面的应力水平;如果超过设计方调整有一定的盲目性,很大程度上依赖于设计3本课题为浙江省自然科学基金资助项目经验;第二,靠盲目地增加某一尺寸参数的值33黄进,男,1976年生,工学硕士。杭州市,310027。不一定能达到减小应力水平的目的,有时还会©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsres
5、erved.《化工装备技术》第21卷第4期2000年19适得其反;第三,以上设计方法由于需要进行用力,也不考虑密封垫槽对结构的影响;反复的试算,设计人员的工作量很大,而且得(2)对端部法兰作弹性力学分析时,假设法到的最终尺寸很难达到最优值。兰啮合齿是连续的,实际上是将其视为轴对称 本文主要对一种带椭圆形封头的整体卡箍模型处理,忽略了啮合齿齿数的影响;式齿啮快开装置的结构强度及其工程设计方法(3)作用在啮合面上的接触力等效为作用进行分析与研究。在啮合齿外缘上的线分布力;(4)因为快开装置的结构尺寸参数较多
6、,为2 力学分析方便起见,以筒体壁厚t为结构尺寸的基准,其 整体卡箍齿啮式快开盖装置可分为如图2它尺寸参数为其倍数,得到了14个尺寸参数ni所示的三个部分:筒体侧法兰;封头侧法兰,该(i=1,2,⋯,14)。部分一般与转轴等装置组成快开盖;整体式卡211 筒体侧端部法兰箍(转圈),用来承受轴向力。 筒体侧端部法兰可分为三个部分(É法兰环、Ê法兰锥颈、Ë筒体),如图3所示。图2 整体卡箍齿啮式快开盖装置1—筒体 2—筒体侧法兰 3—P形环密封圈4—封头侧法兰 5—椭圆形封头 6—整体卡箍7—密封气体进气
7、口 8—整体卡箍齿 9—端部法兰齿[1] 利用铁摩辛柯法对法兰进行分析,将法兰环和法兰锥颈视为受扭转的矩形截面圆环来考虑。与标准法兰铁摩辛柯法不同的是,还计及了内压的影响。法兰齿与卡箍齿的齿间啮合属于弹性接触问题,和法兰及卡箍的刚度等因素都有关系,目前还没有精确可用的数值解。通图3 筒体侧法兰结构示意及受力分析图常的计算方法认为,啮合力沿齿面径向均布或线性分布,甚至呈二次曲线分布[2],或者将其等 第一部分(É)可以看成是矩形截面的圆效为线分布力作用在啮合面中心圆上。文献环,将所受各力往中心处简化,得
8、到总力矩[3]通过有限元计算结果认为,除局部区域外,MÉ、总径向力QÉ、轴向力FÉ,如图4所示。均匀分布和线性分布这两种啮合力工况下的应将作用在啮合齿上的作用力简化为均布于啮合力分布曲线非常接近。为保证设计的安全性,本齿外径的线载荷。因此,有2文中将该接触问题简化为等效线分布力作用在DiPFÉ=(1)8R1啮合齿外缘的情况来处理。为研究方便,本文T1D1还作了以下简化处理:MÉ=MA-QA-F+Dm(2)22(1)不考虑内压和
