基于可靠性的直壓式超高壓處理金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)研究

高 佳

（江蘇信泰化工裝備有限公司，江蘇 睢寧 211500）

超高壓生物處理技術(shù)開發(fā)日趨多元化，以滿足食品滅菌保鮮、病毒滅活、生物萃取等方面的需求，為此本文重點關(guān)注和探討直壓式超高壓處理金屬設(shè)備，優(yōu)化改進(jìn)直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)，提升直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的可靠性。

1 超高壓金屬設(shè)備及可靠性技術(shù)概述

超高壓金屬設(shè)備的可靠性技術(shù)通常是采用瞬時性、均勻性的壓力傳遞方式，具有可控性和工藝穩(wěn)定性，并僅加壓破壞弱鍵連接的次級結(jié)構(gòu)。

2 直壓式超高壓處理金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)框架的改進(jìn)方案

2.1 直壓式超高壓處理金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)框架受力分析

直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的外框架可以采用不同方式進(jìn)行設(shè)計，其一是采用材料為16Mn槽鋼的焊接框架，該框架存在焊接質(zhì)量參差不齊的問題，但其優(yōu)點在于不局限焊接物的體積大小，焊接較為簡易可行。其二是采用42CrMo鋼材的鑄造框架，它具有較高的安全系數(shù)，然而體型偏大，存在縮孔和縮松的問題。為此，本文重點研究400MPa額定壓力、1539KN額定承受拉力、開口直徑為70mm的超高壓處理金屬設(shè)備，通過ANSYS有限元分析，直壓式超高壓金屬設(shè)備的側(cè)板與上下臺面接觸焊接的地方存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，并在上面臺面中間位置存在較大的變形，為此要進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)[1]。

2.2 優(yōu)化改進(jìn)方案

（1）直壓式超高壓金屬設(shè)備的輕量化改進(jìn)與優(yōu)化。由于金屬設(shè)備上下橫梁存在變形而引起的破壞現(xiàn)象，為此要重點考慮上下橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以將原先一橫兩縱的橫梁改變?yōu)閮蓹M一縱，減少橫梁的變形現(xiàn)象，使其最大變形量減少8%，改善應(yīng)力集中現(xiàn)象，較好地提升橫梁的剛度。

（2）直壓式超高壓設(shè)備的體積縮減改進(jìn)與優(yōu)化。要通過減小側(cè)板筋板的寬度方式，向內(nèi)縮進(jìn)金屬設(shè)備焊接框架的側(cè)邊框，降低上下橫梁的高度，減少橫梁的剛度[2]。

（3）超高壓壓力容器優(yōu)化設(shè)計。在超高壓壓力容器的優(yōu)化設(shè)計之前，要精準(zhǔn)計算壓力容器內(nèi)筒和外筒過盈配合之間的過盈量，通常為0.2mm。在此前提下進(jìn)行超高壓壓力容器的優(yōu)化設(shè)計：可以改變超高壓壓力容器金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)的材料，避免結(jié)構(gòu)脆性斷裂破壞、疲勞損壞和屈曲失穩(wěn)的問題。還可以利用熱脹冷縮的原理加熱外層容器，可以使超高壓壓力外層容器增大，并對內(nèi)層圓筒產(chǎn)生具有一定預(yù)應(yīng)力的壓縮作用，實現(xiàn)超高壓壓力容器的熱套合，延長雙層超高壓壓力容器的使用壽命。直壓式超高壓壓力容器之中，內(nèi)筒中的盲孔會產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，導(dǎo)致超高壓壓力容器內(nèi)筒的安全系數(shù)下降。要增大超高壓壓力容器盲孔處的圓角半徑，降低盲孔處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提升超高壓壓力容器盲孔一端的強(qiáng)度，使直壓式超高壓壓力容器的安全系數(shù)達(dá)到1.3。

3 直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的可靠性分析

3.1 結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)的可靠性影響分析

（1）上下橫梁平行度對應(yīng)力分布及變形影響。直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的生產(chǎn)制造過程難免出現(xiàn)上下橫梁不平行的誤差，影響金屬設(shè)備高壓柱塞部分與高壓筒中軸線的重合，降低直壓式超高壓金屬設(shè)備的使用效果。具體可以從下不同情形進(jìn)行分析：①上下橫梁不平行度為0.05時的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形分別為220.54MPa、0.37mm。②上下橫梁不平行度為0.10時的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形分別為222MPa、0.37mm。③上下橫梁不平行度為0.15時的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形分別為223MPa、0.37mm。焊接直壓式超高壓處理金屬設(shè)備框架應(yīng)力和變形分別提升了8%、39%，總體來說還在可控范圍內(nèi)，對直壓式超高壓處理設(shè)備結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生太大的安全性影響。

（2）邊框厚度誤差對超高壓處理金屬設(shè)備可靠性的影響。①邊框厚度誤差為0.10mm時的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形分別為216MPa、0.36mm。②邊框厚度誤差為0.20mm時的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大變形分別為224MPa、0.36mm。由上可知，邊框厚度誤差對直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)影響變化較小，不會影響結(jié)構(gòu)的安全可靠性使用。

3.2 超高壓金屬設(shè)備的可靠性分析

（1）基于參數(shù)變量的超高壓金屬設(shè)備可靠性分析。對于直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)可靠性分析，包括剛度和強(qiáng)度兩個方面，由于焊接金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)的變形較為嚴(yán)重，無法使壓力容器保持良好的密閉空間，因而通?？紤]剛度對超高壓金屬設(shè)備的可靠性影響。在進(jìn)行直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的可靠度設(shè)計時，要重點對各參數(shù)變量進(jìn)行簡化處理，具體包括有：①金屬材料強(qiáng)度和斷裂韌性參數(shù)的處理。由于強(qiáng)度和斷裂韌性表現(xiàn)出一定的分散性，對此要進(jìn)行隨機(jī)處理，重點考慮彈性模量的取值范圍、變差系數(shù)、均值和標(biāo)準(zhǔn)差對超高壓框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性的影響。②尺寸參數(shù)的處理。直壓式超高壓處理金屬設(shè)備在生產(chǎn)制造過程中，會受到加工機(jī)床、量具以及操作人員的影響，其重點部位的尺寸參數(shù)會對結(jié)構(gòu)可靠性產(chǎn)生影響，為此也要將重點部位的尺寸參數(shù)作為隨機(jī)變量進(jìn)行處理。

（2）直壓式超高壓處理金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析。通過計算和分析可知，直壓式超高壓處理金屬設(shè)備焊接框架最小可以承受3×105次的隨機(jī)載荷，而位于焊接框架側(cè)板部位的尖角處則因應(yīng)力集中現(xiàn)象而存在疲勞壽命最短的問題。

4 小結(jié)

綜上所述，本文重點對焊接直壓式超高壓處理金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)分析，利用ANSYS計算和分析直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的應(yīng)力及應(yīng)變分布狀態(tài)，替換并減薄直壓式超高壓處理金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)的側(cè)板和上下橫梁，以提升焊接框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，實現(xiàn)焊接框架結(jié)構(gòu)的輕量化。同時，還要合理改進(jìn)和優(yōu)化直壓式超高壓處理金屬設(shè)備的上下橫梁排布方式，提升焊接框架結(jié)構(gòu)的剛度，延長直壓式超高壓處理金屬設(shè)備結(jié)構(gòu)的使用壽命。未來還要加強(qiáng)對超高壓金屬設(shè)備液壓部分的研究和可靠性分析。