隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體變形及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究*

武文俊,王 成,禹建勇,夏前好,劉 偉

(1.南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211102; 2.江蘇省熱工過程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211102)

0 引 言

執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于管道閥門的控制裝置,在石油、化工等行業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而此類應(yīng)用環(huán)境多存在爆炸性氣體或可燃性粉塵,因此需要滿足隔爆要求。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB3836.2爆炸性環(huán)境 第2部分:由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》要求,在驗(yàn)證隔爆電氣設(shè)備的外殼能否承受內(nèi)部爆炸力時,需對外殼進(jìn)行過壓試驗(yàn)。過壓試驗(yàn)包括靜壓試驗(yàn)和動壓試驗(yàn)兩種,且兩種試驗(yàn)等效,任選其一即可;按照標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗(yàn)外殼滿足IIC類的要求,需要施加2 MPa的壓力,并保持10～12 s,要求試驗(yàn)件能承受壓力且不出現(xiàn)降低隔爆性能的通孔和裂紋,也不出現(xiàn)滴水現(xiàn)象即為合格[1]。

隨著有限元仿真技術(shù)的不斷成熟,該技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用到不同的領(lǐng)域,在隔爆殼體變形問題的分析上,也有不少的研究者進(jìn)行了相關(guān)研究。張凌云等[2]使用ABAQUS、對隔爆型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼部分進(jìn)行了靜壓試驗(yàn)仿真模擬,得到應(yīng)力、變形分析結(jié)果,從而找出結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn),并對隔爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化;楊華[3]分析了煤礦用高壓大功率隔爆變頻裝置的外殼特點(diǎn),利用ANSYS對高壓變頻器隔爆外殼的強(qiáng)度、應(yīng)變進(jìn)行了分析,并根據(jù)分析結(jié)果對隔爆裝置外殼的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn);陳偉[4]針對隔爆外殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)展開研究,以KJC660外殼為基礎(chǔ),通過有限元分析計(jì)算了隔爆外殼強(qiáng)度,并通過研究加強(qiáng)筋的形狀、間距和布置提出了增加外殼強(qiáng)度和減少外殼重量的設(shè)計(jì)方案;宋傳智等[5]以隔爆電動執(zhí)行器的殼體為研究對象,根據(jù)靜水壓受載分析結(jié)果,建立了殼體重要尺寸的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并通過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及模糊物元法和熵權(quán)法獲得了最佳設(shè)計(jì)方案。

以上前期相關(guān)的研究主要集中在利用有限元方法或軟件對隔爆外殼的強(qiáng)度和變形進(jìn)行分析,且優(yōu)化設(shè)計(jì)時主要考慮的是靜壓試驗(yàn)后的變形情況。而實(shí)際靜壓試驗(yàn)過程中,隔爆面的變形包含了彈性變形和塑性變形,且試驗(yàn)后彈性變形恢復(fù)。雖然靜壓試驗(yàn)后的變形滿足要求,但試驗(yàn)過程中的變形以及彈性變形存在不滿足隔爆標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險,而且試驗(yàn)過程中的變形情況也無法測量。針對上述問題,筆者利用有限元軟件分別對隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體靜壓試驗(yàn)過程中和靜壓試驗(yàn)后的變形情況進(jìn)行分析,再根據(jù)兩個工況下的變形情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體不僅靜壓試驗(yàn)后的變形滿足要求,靜壓試驗(yàn)過程中的變形也能滿足要求,試驗(yàn)結(jié)果為提升隔爆產(chǎn)品的安全性和可靠性提供支撐。

1 隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體靜壓試驗(yàn)變形分析

隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體屬于產(chǎn)品外殼部分,一般為鑄造鋁合金材質(zhì),涉及隔爆的位置主要有兩個:一個是安裝電器元件的電氣腔止口面,另一個是接線調(diào)試的接線腔止口。文中主要針對這兩個隔爆面的變形進(jìn)行分析研究,分別分析靜壓試驗(yàn)過程中和靜壓試驗(yàn)后兩個工況中的隔爆面的變形情況。

在靜壓試驗(yàn)過程分析中,水壓過程主要是箱體電氣腔和接線腔內(nèi)充滿水,然后通過水壓機(jī)往內(nèi)部施加水壓(按照隔爆標(biāo)準(zhǔn)GB3836.2-2021要求,以CT4防爆等級為例,水壓壓力2 MPa,持續(xù)時長10 s)。因此,可簡化模型,此分析算例單獨(dú)對箱體進(jìn)行分析即可,隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體的模型如圖1所示。

圖1 隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體 圖2 箱體等效應(yīng)力分布

圖3 箱體隔爆面止口變形(工況一) 圖4 箱體隔爆面止口變形(工況二)

(1) 前處理

SolidWorks建立箱體模型后,導(dǎo)入Simulation中,給箱體賦予材料,文中涉及的隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體材質(zhì)為YL113,鋁合金壓鑄成型,材料密度2 770 kg/m3,彈性模量71 GPa,泊松比0.33,屈服強(qiáng)度185 MPa。

網(wǎng)格劃分:由于箱體為復(fù)雜曲面零件,采用自動網(wǎng)格形式進(jìn)行劃分,網(wǎng)格劃分后,節(jié)點(diǎn)數(shù)量1 272 237,單元數(shù)量806 234,網(wǎng)格質(zhì)量良好。

載荷步設(shè)定:分析兩個工況主要包括靜壓試驗(yàn)過程中和靜壓試驗(yàn)后,靜壓試驗(yàn)過程要求保持10 s。因此設(shè)置三個載荷步:第一載荷步0～5 s,壓力從0升到2 MPa,為加壓過程;第二載荷步5～15 s,壓力保持在2 MPa,為保壓過程;第三載荷步15～20 s,壓力從2降為0 MPa,為卸壓過程。

施加載荷和邊界條件:根據(jù)靜壓試驗(yàn)過程中壓力的變化分別給三個載荷步設(shè)置對應(yīng)的壓力值。此外,靜壓試驗(yàn)過程中電氣腔和接線腔分別與工裝裝配,故邊界條件選擇將兩個安裝螺紋孔固定約束。

(2) 求解和后處理

后處理主要分析箱體的等效應(yīng)力、電氣腔止口面的變形和接線腔止口面的變形。

分析工況:工況一為靜壓試驗(yàn)過程,對應(yīng)第二分析載荷步;工況二為靜壓試驗(yàn)后,對應(yīng)是的第三載荷步的最后1 s。

后處理結(jié)果如圖2～4所示。

(3) 分析結(jié)果匯總

隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體靜壓試驗(yàn)變形分析結(jié)果如表1所列。

表1 分析結(jié)果匯總表

由表1分析結(jié)果得到,工況一的最大應(yīng)力236 MPa,但是從應(yīng)力分布云圖來看,排除應(yīng)力集中點(diǎn)以外,大部分位置等效應(yīng)力都在150 MPa以內(nèi),小于屈服強(qiáng)度170 MPa,說明靜壓試驗(yàn)過程中大部分變形為彈性變形;從表1中電氣腔止口隔爆面的變形情況來看,雖然工況二的變形很小,只有4.31×10-9mm,但工況一的最大變形0.18 mm,已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)要求的0.15 mm,存在較大的風(fēng)險;另外箱體接線腔止口隔爆面的工況一的變形均比較小,在0.05 mm左右,此位置的變形安全余量較大。

2 隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析發(fā)現(xiàn),隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體靜壓試驗(yàn)過程中和靜壓試驗(yàn)后主要變形的風(fēng)險點(diǎn)為電氣腔止口隔爆面的變形情況,確認(rèn)此處為主要改進(jìn)位置;電氣腔止口隔爆面的變形情況主要呈現(xiàn)為兩個安裝孔中間往外擴(kuò)的變形趨勢。因此,需要在變形最大的位置外部增加加強(qiáng)筋,同時內(nèi)部腔體內(nèi)也增加加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋的分布情況如圖6所示。

圖6 加強(qiáng)筋的分布圖 圖7 優(yōu)化后箱體等效應(yīng)力分布

對優(yōu)化后的隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體依照上述分析步驟重新進(jìn)行分析計(jì)算,最終計(jì)算的變形云圖如圖7～9所示。優(yōu)化前后的分析結(jié)果如表2所列。

圖8 優(yōu)化后箱體隔爆面變形(工況一) 圖9 優(yōu)化后箱體隔爆面變形(工況二)

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后分析結(jié)果匯總表 /mm

從表2中優(yōu)化前后的分析結(jié)果來看,箱體電氣腔止口變形改善明顯,變形量由0.18 mm降低到0.066 mm,降低了63.3%,接線腔位置由于整體腔體變化,變形量也降低了54%,整體結(jié)構(gòu)剛度改善明顯。

3 試驗(yàn)研究

對該隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體進(jìn)行靜壓試驗(yàn)研究,過程如下。

(1) 選擇5個優(yōu)化前的隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體,分別編號1～5#,另外選擇5個優(yōu)化后的隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體(如圖10所示),分別編號6～10#,分別測量電氣腔隔爆止口面和接線腔隔爆止口面靜壓試驗(yàn)前的尺寸數(shù)據(jù)并做好記錄。

圖10 優(yōu)化后的隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體 圖11 靜壓試驗(yàn)裝置

(2) 將箱體與試驗(yàn)工裝裝配好,連接上靜壓試驗(yàn)裝置,將箱體內(nèi)部充滿水,試驗(yàn)裝置圖11所示。

(3) 將出水口關(guān)閉,靜壓試驗(yàn)裝置施加2 MPa的壓力,設(shè)置持續(xù)時間10 s,觀察加壓過程中外殼表面有無連續(xù)滴水。

(4) 測試結(jié)束后,查看隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體表面有無裂紋,電氣腔隔爆止口面和接線腔隔爆止口面有無損傷,然后分別測量電氣腔隔爆止口面和接線腔隔爆止口面的尺寸,根據(jù)靜壓試驗(yàn)前后的尺寸計(jì)算出隔爆面的變形數(shù)據(jù)。

涉及的隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體優(yōu)化前后的隔爆面試驗(yàn)測試記錄分別如表3、4所列。

表3 優(yōu)化前隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體靜壓試驗(yàn)變形情況

表4 優(yōu)化后隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體靜壓試驗(yàn)變形情況

由上述試驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)得出如下結(jié)果。

(1) 優(yōu)化前電氣腔隔爆止口面變形較大,基本在0.05～0.08 mm之間,接線腔隔爆止口面基本無變形,這與仿真的趨勢是一致的。

(2) 優(yōu)化前電氣腔隔爆止口面變形實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果存在一定的差異。分析原因發(fā)現(xiàn),仿真分析不能體現(xiàn)零件本身內(nèi)部材質(zhì)組織不均勻的影響,這與零件原材料和成型方式有關(guān)。

(3) 對比優(yōu)化前后測量數(shù)據(jù),電氣腔隔爆止口面變形量從0.05～0.08 mm降低到0.01～0.03 mm,強(qiáng)度提升到原來的2倍左右,仿真的變形從0.18 mm降低到0.066 mm,強(qiáng)度基本也是提升2倍左右,說明仿真分析的結(jié)果趨勢與實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)據(jù)變化趨勢是一致的,仿真分析具有一定的參考意義。

4 結(jié) 論

隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品對隔爆面的變形要求比較嚴(yán)格,常見的試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)分析主要還是針對靜壓試驗(yàn)后的變形,對試驗(yàn)過程中的變形情況分析不足,因此會存在一定的風(fēng)險。文章利用有限元軟件,以隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體的兩個隔爆面為例,分別對靜壓試驗(yàn)過程中和靜壓試驗(yàn)后兩個工況進(jìn)行分析研究,根據(jù)兩個工況中隔爆面的變形情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),最后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,待出最終結(jié)果如下。

(1) 靜壓試驗(yàn)過程中箱體隔爆面存在較大的彈性變形,試驗(yàn)過程中隔爆面尺寸的變形測量難度大,而有限元分析在一定程度上可以進(jìn)行分析研究。

(2) 箱體隔爆面變形的分析計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然存在一定的差異,但變形的趨勢基本一致。因此,可利用有限元分析對隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體隔爆面試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后的變形進(jìn)行分析研究,根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對隔爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低開發(fā)成本和試驗(yàn)成本具有一定的參考意義。