齒嚙式快開結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及制造

王會瓊，李正方

(1.云南大為化工裝備制造有限公司，云南 沾益 655338；2．云南大為制氨有限公司，云南 沾益 655338 )

我公司為某設(shè)備研究所設(shè)計、制造了一臺高壓齒嚙式卡箍連接快開結(jié)構(gòu)的容器，該容器主要用于(成品)殼體類部件的外壓強度試驗。該研究所現(xiàn)有的試壓容器是低壓、小直徑的快開式容器，不能滿足大直徑殼體類部件的外壓強度試驗要求。因此，該研究所委托我公司設(shè)計、制造一臺高壓試驗專用立式快開壓力容器，設(shè)計壓力為10 MPa，設(shè)計溫度為常溫，工作介質(zhì)為水，公稱直徑為1200 mm。

常用的快開式壓力容器的工作壓力在 2.0 MPa 以下，本設(shè)備的工作壓力高達 8 MPa，因此，設(shè)計計算過程非常復雜。如何對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計是技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵點，制造方法則是技術(shù)難點所在，本文主要論述了齒嚙式卡箍連接快開結(jié)構(gòu)高壓容器的設(shè)計及關(guān)鍵零部件制造的質(zhì)量控制。

1 卡箍連接快開裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及特點

快開式壓力容器在化工及建材等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛?？ü窟B接快開裝置常用的結(jié)構(gòu)有兩種：一是半自動式，即靠手柄帶動絲桿驅(qū)動卡箍轉(zhuǎn)動；二是全自動式，即靠氣壓或液壓裝置驅(qū)動卡箍沿導軌定向滑動。本文主要介紹的是第一種結(jié)構(gòu)，因其驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。

設(shè)備結(jié)構(gòu)特點：采用手柄帶動絲桿驅(qū)動齒條帶動卡箍轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)半自動式啟閉。該裝置操作靈活方便、開關(guān)快捷、省力省時及安全性能好；采用O形自緊密封圈，密封效果好、整體式溝槽、結(jié)構(gòu)緊湊、零件幾何尺寸較小，從而可以大大節(jié)省制造成本。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)備主要由筒體、封頭、卡箍、平蓋、筒體端部法蘭、過渡法蘭、驅(qū)動裝置等零部件構(gòu)成(見圖1)。封頭、筒體端部法蘭與筒體采用焊接連接，平蓋與卡箍的開啟采用快開機構(gòu)。快開機構(gòu)由手柄、減速機、齒條、卡箍、鎖銷和密封墊等組成。

1.封頭；2.筒體；3.卡箍支承件；4.筒體端部法蘭；5.卡箍；6.平蓋；7.過渡法蘭；8.密封墊；9.齒圈；10.減速機；11.支座；12.手柄。圖1 設(shè)備示意圖

1.3 工作原理

設(shè)備鎖緊過程：平蓋及試壓工件裝配好后，將平蓋吊裝到位，通過手柄帶動減速機，使減速機帶動齒條轉(zhuǎn)動，從而帶動卡箍順時針轉(zhuǎn)動(即轉(zhuǎn)動方向為平蓋齒帶斜坡最低點為起點)，使卡箍上的齒壓緊平蓋，同時O形圈被擠壓變形，產(chǎn)生彈性變形，消除間隙實現(xiàn)自緊密封。當卡箍齒與平蓋齒及端部法蘭齒(四齒)重合并到位后，將鎖銷插入銷孔，鎖定卡箍及平蓋。

設(shè)備開啟過程：先打開容器底部閥門排水泄壓，使容器內(nèi)的壓力泄壓為零，當容器內(nèi)的最高水位低于筒體端部法蘭密封面50～60 mm 后，打開平蓋上的排氣閥，使容器內(nèi)部與大氣連通，約4～8 min 以后，拔出卡箍與平蓋處的鎖銷，然后逆時針旋轉(zhuǎn)手柄，使卡箍齒與平蓋齒錯位分離后，即可將平蓋及試壓工件吊出，將試壓工件從平蓋上取下，從而完成試壓工件的外壓試驗。

1.4 安全鎖定原理

為防止設(shè)備運行中誤操作搖轉(zhuǎn)手柄以及在卡箍齒和平蓋齒未鎖緊時注水升壓，造成安全事故。因此，設(shè)計了安全鎖銷(見圖2所示)。鎖定原理：當卡箍齒與平蓋齒及端部法蘭齒重合并到位后，將鎖銷插入銷孔，鎖定卡箍、平蓋，達到實現(xiàn)安全鎖定的目的[1]。

圖2 安全鎖定裝置

該安全鎖緊結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，使用方便、可靠。完全符合TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定的安全連鎖的要求。

2 齒嚙式快開結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 材料要求

設(shè)備卡箍、平蓋和筒體端部法蘭采用20 MnMoⅣ鍛件，筒體和封頭采用壓力容器專用鋼板Q345R，過渡法蘭和接管法蘭組件采用 16 Mn Ⅲ鍛件。 O形圈采用氟橡膠，在專業(yè)廠家整體模壓成形。詳見表1、表2。

表1 主要零部件材料和尺寸

表2 材料力學性能和工藝性能

2.2 齒嚙式快開結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及計算

本文選用的齒嚙式快開結(jié)構(gòu)是參照HG/T 20582-2020《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》中11章“齒嚙式卡箍連接件的設(shè)計及計算”執(zhí)行。

2.2.1 卡箍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

卡箍設(shè)計時即要考慮承受內(nèi)壓的強度，又要考慮卡箍的剛度。因此在設(shè)計時經(jīng)過反復設(shè)計驗算，在保證承受內(nèi)壓強度和剛度的情況進行了優(yōu)化設(shè)計，選取最佳厚度，節(jié)約了材料成本?？ü魁X齒數(shù)也進行了優(yōu)化設(shè)計，通過反復強度計算可知，齒嚙式快開結(jié)構(gòu)當齒數(shù)越多，受力越均勻，每個齒上所受的應(yīng)力也越小[1]，但卡箍齒齒數(shù)越多，加工難度也就越大。因此，經(jīng)過反復計算論證，在保證強度達到計算要求的前提下，齒數(shù)選用18個齒。圖3為卡箍簡圖，圖4為卡箍力學模型。

圖3 卡箍簡圖

圖4 卡箍力學模型

2.2.2 平蓋優(yōu)化設(shè)計

為減少平蓋齒與卡箍齒剛貼合時鋼對鋼產(chǎn)生的摩擦阻力較大，設(shè)計時采用在平蓋齒上端面的一側(cè)加工長 30 mm，高 5 mm 的導向斜坡，可大大減小卡箍齒面與平蓋齒面剛嚙合時的摩擦阻力，旋合時使卡箍齒從開始接觸到完全旋緊的過程中有一個厚度差，以保證卡箍逐步旋緊，即提高了卡箍上緊速度又減小了轉(zhuǎn)動力[1]。圖5為平蓋簡圖，圖6為平蓋力學模型。

圖5 平蓋簡圖

圖6 平蓋力學模型

2.2.3 筒體端部法蘭優(yōu)化設(shè)計

從齒嚙式快開結(jié)構(gòu)可知，筒體端部法蘭受力較復雜，設(shè)計計算時除了計算法蘭齒的受力外，在端部法蘭與筒體連接處，由于壁厚不一致，導致焊接接頭處應(yīng)力較大。因此，設(shè)計計算時即要保證連接處承受內(nèi)壓所須的壁厚又要考慮焊縫的強度。經(jīng)過反復計算，最終確定了端部法蘭齒的幾何尺寸及與筒體的連接尺寸[1]。圖7為筒體端部法蘭簡圖，圖8為筒體端部法蘭力學模型。

圖7 筒體端部法蘭簡圖

圖8 筒體端部力學模型

3 設(shè)備關(guān)鍵部件加工法方及質(zhì)量控制

3.1 筒體端部法蘭

筒體端部法蘭齒形的初步加工可采用數(shù)控切割機或水下等離子切割成形。因法蘭材料為 20 MnMo 鍛件，工藝性能較特殊，若采用數(shù)控等離子切割，則齒面因受高溫而變脆硬，齒面精加工時精度難以保證。因此，為保證加工精度采用水下等離子切割，優(yōu)點是：可將已設(shè)計好的端部法蘭CAD圖導入切割機，能精確的切割出每個齒的幾何尺寸，齒面切割質(zhì)量好，切割面不會產(chǎn)生脆硬，能較好的保證密封面的精加工，而且切割變形小。

為保證筒體端部法蘭的加工精度，毛坯預留了二次加工余量，即如圖9所示的法蘭的A面與B面各留 4 mm 的加工余量。為防止筒體端部法蘭的齒面平行度在與筒體組焊時產(chǎn)生變形，因此，筒體端部法蘭應(yīng)先與筒體(約 500 mm 長)組焊并通過TOFD檢測合格后[2]，才能上萬能鏜銑床二次加工。先加工筒體端部法蘭密封面(A面)，然后以密封面(A面)作為定位基準，加工端部法蘭與卡箍相貼合面(B面)，A面和B面的平行度要確?？刂圃?0.25 mm 以下，齒的厚度偏差控制在 0 mm～0.5 mm。必須保證密封槽底部C面與A面的平行度，密封槽與密封面加工宜在二次加工時一道工序完成，避免裝夾誤差。

圖9 筒體端部法蘭截圖

3.2 平蓋

平蓋齒形加工：齒的切割和加工方法與筒體端部法蘭采用的方法相同。A面和B面的平行度要確保控制在 0.25 mm 以下，齒的厚度偏差控制在0～0.5 mm。

3.3 卡箍

卡箍齒形加工：齒的切割和加工方法與筒體端部法蘭采用的方法相同。卡箍與筒體端部法蘭和平蓋結(jié)合面的加工要待筒體端部法蘭的A、B兩個平面(見圖10)二次加工完成并檢查合格后再進行加工。經(jīng)對O形密封圈的模擬壓緊試驗，計算確定卡箍內(nèi)開口尺寸H值，偏差控制在± 0.3 mm，卡箍內(nèi)開口處兩個面：E面和F面的平行度要求控制在 0.3 mm 以下。

圖10 卡箍截面圖

3.4 密封圈

O形密封圈必須在專業(yè)廠家采取整體模壓成形，不可拼接，且橡膠硬度要適中，過硬則減速機功率要求較大，平蓋與卡箍組裝困難。過軟則不能承受過高的壓力，容易壓壞密封圈造成泄漏，此外密封圈還要有一定的耐磨性。

4 設(shè)備組裝及試壓

4.1 設(shè)備組裝

設(shè)備上所有部件加工完成，并檢查合格后方可整體組裝，組裝時要在找平好的平臺上進行，以確保筒體端部法蘭與平蓋和卡箍的中心重合。組裝前要清除法蘭、卡箍和平蓋相貼合面上的毛刺和灰塵，使其表面光滑，以便于卡箍順利旋轉(zhuǎn)。筒體端部法蘭的密封槽清理后，裝入密封圈(涂少量潤滑脂)，密封圈展開平整不得起皺，合格后裝入定位銷，檢查密封處干凈整潔后裝入平蓋，平蓋心須吊平，須保證平蓋中心與端部法的中心重合[3]，因此，采用立式裝配，當平蓋齒與端部法蘭齒對齊后再將卡箍裝入，調(diào)整徑向間隙后定位。安裝后，密封圈要有0.3～0.4 mm 的均勻壓縮量，密封圈若無一定的壓縮量，則無法保證試壓成功。檢測合格后裝入驅(qū)動裝置(減速機)，調(diào)整減速機中大小齒輪嚙合間隙后將驅(qū)動裝置固定穩(wěn)定?？ü颗c法蘭和平蓋組裝后，以卡箍沿筒體順時針轉(zhuǎn)動靈活，不卡澀為合格。

卡箍 、平蓋與法蘭組裝就位后，用手柄搖轉(zhuǎn)減速機，帶動卡箍上的齒條轉(zhuǎn)動，卡箍將順時針轉(zhuǎn)動(即轉(zhuǎn)動方向為平蓋齒帶斜坡最低為起點)，使卡箍齒壓緊平蓋齒和端部法蘭齒旋轉(zhuǎn)到位后，將鎖緊銷插入銷孔，鎖緊卡箍和平蓋后方可灌水試壓。

4.2 設(shè)備試壓

當設(shè)備內(nèi)水灌滿后，檢查法蘭與平蓋密封面是否漏水，如有漏水，則應(yīng)將設(shè)備內(nèi)的水排至低于法蘭密封面50～60 mm，吊起平蓋檢查密封圈是否損傷，若有損傷則必須更換密封圈后再進行注水壓試。

試壓要求：逐步緩慢將壓力升至 10 MPa，檢查是否泄漏，保壓 30 min；如無泄漏，無異常響聲及變形為合格[4]，經(jīng)檢驗設(shè)備試壓一次性合格，說明本設(shè)備的研制方案是可行的。

5 結(jié)語

1)經(jīng)計算可知，卡箍齒與平蓋齒及端部法蘭齒接觸面上的擠壓力應(yīng)力較高，機加工時嚴格控制平蓋和端部法蘭嚙合齒表面的平面度，大大減輕齒與齒之間的擠壓及受力不均的情況。

2)平蓋上的齒面經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，卡箍齒轉(zhuǎn)動從開始接觸到完全嚙合的過程中有斜面過渡，保證卡箍上緊時省力又省時。

3)采用水下等離子切割齒面，大大減少了金屬加工量，節(jié)約了機加工費用(約1.5萬元)，縮短制造工期(約12天)，可為類似設(shè)備的制造提供借鑒。