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  图2 传统齿啮式快开盲板锁紧密封结构 1.上端盖 2.上法兰 3.下法兰 4.密封圈 5.管体

  针对传统齿啮式快开盲板存在的缺陷，基于CATIA Assembly软件设计了用于沈阳飞机工 业（集团）公司，工艺研究所研制的STPW-2型手提式喷丸机的新型齿啮式快开盲板，其主要结 构如图3,4所示.1）1,2构成铰链四杆机构，用于连接能承受压力的容器与盲板的上端盖，摇臂可以铰链 的轴线构成机构上端盖，其中顶盖5与下法兰体8通 过八个内六角螺钉6连接；3）密封上端盖9与转轴3螺接，密封上端盖9的上表面与顶盖5接触但 并不连接，转轴3与顶盖5之间嵌入铜套4；4）11是上法兰及管体；10为O型密封圈，位于密封端 盖9与管体11的上端面之间，密封端盖9与管体11上端面之间的接触面为密封面；管体11与下法 兰体8的接触面上均有均布的齿，其齿形结构如图6,7所示。齿面分三段，两段平面和一段螺旋 上升面，在管体11的上法兰面上有与之配合的齿形。

  管体与密封上端盖接触面是快开盲板最重要的密封面，本文主要对密封上端盖与管体之间 进行接触分析。暂不考虑接触面因加工粗糙度等因素造成的初始接触不均匀性，认为初始状态 下，两部件面接触，且接触面间没有间隙或嵌入。当受载时，因为顶盖和下法兰面变形不一致 而使接触面积减小。 这种加载时接触面积小于或等于未加载时的接触面积的情况称为退缩接触， 属于非 Hertz 接触问题。在加载时，由于接触面间有嵌入和相对的滑动，属于面与面的接触问 题，因而，选用 CATIA Analysis 软件提供的光滑接触模型[7]。 在齿面上施加2MPa的均布载荷，分析结果如图12所示，接触最大变形位置出现在管体边缘， 最大变形量为 ；图13对下法兰体进行变形分析，可知，最大变形量为 ，最大变形位置出现在齿形根部。管体和下法兰体的变形方向都是向内收缩， 这样有助于密封。

  在盲板的开闭过程中，如图10所示，管体齿面与下法兰体齿面相互配合，齿面的配合关系 影响密封圈的压紧，进而影响盲板的密封性。根据 GB/T3452.1-1992选择内径115mm，截面积直 径5.3mm 的 O 型密封圈，容器闭合状态时要求密封圈有1mm 的压缩量，因此，齿形向下平面之间 高度差也应为1mm,两平面之间由光滑曲面连接， 齿形的制作的完整过程中应使用五坐标数控铣床加工， 以保证更高的形状精度和三段齿面之间的位置精度。

  沈阳飞机工业（集团）有限公司 技术中心工艺研究所，辽宁 沈阳 110850

  摘要：通过 CATIA V5 软件设计齿啮式快开盲板的三维模型，并通过 CATIA Analysis 有限元分析软件模拟齿啮式快开盲板 的接触过程，建立了基于盲板整体有限元应力分析和应力分类的齿啮式快开能承受压力的容器设计方法。实际工程应用表明，按该方法设计的 容器满足结构强度和疲劳寿命要求。 关键词：快开盲板 喷丸机 结构设计 有限元分析

  现有的齿啮式快开盲板（图1所示）主要是有上法兰、下法兰和卡箍组成。有的下法兰和卡 箍焊在一起，称为整体齿啮合式。齿啮式工作原理基本为，在齿啮式快开装置的上法兰和卡箍 圆周方向加工出均布的齿，通过将顶盖法兰旋转一定角度能轻松实现上法兰齿和卡箍齿之间的啮 合与错开，进而达到开关的目的。 现有齿啮式快开盲板在应用过程中存在如下不足：1）锁紧面与密封面位于同一平面，当 卡箍和封头形成打开状态时，如容器内有残余气体，容易使端盖飞弹出来，发生意外事故。2）端盖

  简化三维模型：在快开盲板工作过程中，铰链、连杆等结构对快开盲板工作时强度以及受 力变形位移影响较小，可忽略不计，无需对其做多元化的分析。图3中顶盖5与下法兰体8通过内六角螺 栓6连接，这是一种考虑零件加工工艺性的设计；由于顶盖5与下法兰体8之间的结合面不是重要 的密封面，因此将此两零件简化为紧固连接。 网格单元划分：采用 Analysis 有限元软件提供的4节点四面体 Linear 三维实体进行网格 划分，下法兰体和管体齿形以及密封上端盖采用8节点六面体 Parabolic 三维实体进行网格划 分。[5-6] 载荷边界条件：在管体内侧，密封上端盖底面区域施加均布的压力；盲板工作过程可分为 增压、保持以及卸载三个阶段，针对不同的工作阶段需施加不同的压力，分别取0.5MPa、1Mpa、 2MPa 和4MPa 四种不同的压力做多元化的分析计算，具体可参数化输入。 位移边界条件：对各零件的对称面上施加对称约束，为避免容器整体的轴向刚移， 在管体底部的法兰面上施加轴向的约束。 接触条件：下法兰体和管体齿形接触面建立光滑接触连接；密封上端盖与顶盖及管体上下 两个接触面均建立光滑接触连接；顶盖与下法兰体间建立紧固连接；转轴与轴套之间建立光滑 接触约束。 分析结果： 在4MPa 的压力下，最大应力为5.69MPa 出现在上下齿形接触面的边缘，最大变形位移为 mm. 其他压力下的分析结果：

  管体是连接快开盲板与喷丸机料仓的部件，管体结构分为上齿面，筒体和下法兰面，其中 上齿面结构与端盖下齿面相同；下法兰面的设计则需配合喷丸机料仓上端面法兰选取；这里主 要确定筒体的设计参数，根据设计的基本要求筒体内径取 DN100，根据 GB150.2厚度计算如下：

  打开时（如图2所示） ，在上下法兰结合处的台阶面处可能会落入杂物，特别是在喷丸机、喷砂 机以及气力输送设备的应用中，由于在加料过程中，传送物料（如：喷丸机的弹丸）本身也可 能落入台阶面，这样就会导致盲板无法完全闭合，留下缝隙，因此导致能承受压力的容器系统失压，造 成较为严重的事故。3）盲板开闭过程中上法兰与密封圈上表面发生摩擦，经常使用会造成密封 圈的疲劳磨损，严重的甚至会导致盲板不能完全密封。4）下法兰齿形生产时加工难度较大，焊 接结构易发生应力变形。进而影响盲板的锁紧和密封。

  ——设计温度下许用应力，Mpa； ——内径，mm； ——焊接接头系数； 计算得，管体厚度不小于3.4mm，根据安装现场真实的情况，管体厚度取 管体与上齿面焊接连接处，由于结构不联系会产生边缘应力，根据弹性力学中的板壳理论

  ，管体最短长度应满足如下公式： （2） 式中： ——管体最短长度，mm; ——管体半径，mm; ——管体壁厚，mm. 计算得，管体的长度不小于55.9mm，取管体长度为 L=60mm. 由上式可知，由于工作所承受的压力较低，快开盲板强度力学性能较好，在设计建模工作中主要考

  新型齿啮式快开盲板是沈阳飞机工业（集团）公司工艺研究所研制的 STPW-2型手提式喷丸 机的端盖结构。其主要设计参数如下：容器工作时候的温度为0℃到50℃，计算压力为0—10bar，即 0—1Mpa；根据喷丸机的结构位置，盲板管体直径为 DN100，根据装配位置要求，摇臂开启半径 为200mm.根据工况选择锻件16Mn，许用应力150Mpa。

  在喷丸机的工作过程中个，要求弹丸高速喷出，因此气体流速较大，对结构的密封性有较 高要求， 通过上节计算可知， 喷丸机工作所承受的压力较低， 快开盲板强度性能较好。 因此， 在基于 CATIA Analysis 的有限元分析中，本文主要考虑快开盲板重要结构件在受压状态下的变形。

  齿啮式快开容器大致可分为两类：一类是用于高压或超高压场合；另一类是用于中、低压 能承受压力的容器，工作所承受的压力一般在0.8MPa-6.4MPa 之间，工作时候的温度在200℃之内。对于第一类齿啮合式 快开装置，日本制定了高压和超高压快速启闭密封装置的设计标准[2]，我国石化行业也制定了 快速开关盲板技术规范 SY/T 0556标准[3]。但是目前尚未出现用于低压能承受压力的容器快开盲板的设计 标准。

  开启过程：反向旋转手轮，下法兰体8旋出管体11，上下齿面沿螺旋面逐渐分开；3,4,9组 成的密封机构沿轴线方向向上运动；同时被压紧的O型密封圈逐步回弹，容器内压力下降。当上 下齿面完全分离时，O型密封圈恢复原形，容器恢复常压。

  新型齿啮式快开盲板的优点是：1）重新设计了齿啮式快开盲板上下齿面的位置，在用 于喷丸机等气力输送装置的加料过程中，上端盖特别是下法兰8远离加料系统，使得弹丸或其他 杂物不能落入齿啮合台阶面，来保证能承受压力的容器系统不会因此失压；在加料结束后，无需进行 清扫即可闭合盲板，提高了加料工作的效率。2）分离密封平面与锁紧平面，密封上端盖9与管 体11之间为密封平面，下法兰8与管体11之间为锁紧平面，盲板打开过程中，随着上端盖位置提 升，密封圈缓慢复原，上端盖与管体之间逐渐出现缝隙，使容器压力缓慢下降，于此同时，锁 紧齿面仍保持大面积接触状态，整一个完整的过程先降压，后解锁，排除了端盖由于压力过大出现飞弹 的可能，提升了盲板的安全性。3）将上端盖分为密封和锁紧两大部分，开闭过程中密封上端盖 9做轴向运动，不做回转运动，从而减小了对密封圈的摩擦，从而提升了密封圈的常规使用的寿命和盲 板的密封性。 4） 将端盖的锁紧机构分为上下两部分， 并通过螺栓连接， 简化了单个零部件结构， 降 低 机 加 工 难 度 ， 提 升 了 机 加 工 艺 性 。

  快开盲板是用于能承受压力的容器或用于承受压力的管道的圆形开口上，并能实现快速开启和关闭的一种机械 装置。快开盲板广泛的应用于化工、建材、纺织、航空、航天、医疗、天然气等工业领域。根 据安装直径，工作所承受的压力等工况条件的不同，快开盲板的结构也各不相同，其中主要的形式有齿 啮式、卡箍式、压紧式、剖开环式、移动式等，其中齿啮式快开盲板是使用较广泛的一种结构。 齿啮式快开盲板作为能承受压力的容器的重要部件，工作时需要频繁启闭。在工作过程中，需要经 历关闭、升压、升温，降温、降压、开启的过程。在某些特殊情况下，如用于喷丸机等气力输 送发料装置的快开盲板，盲板结构与物料接触发生磨损。这对快开盲板的强度和疲劳要求比较高。 据统计，齿啮式快开容器的爆炸事故占我国能承受压力的容器爆炸事故总量的三分之一[1]。因此快开盲 板的结构设计、材料选择、强度分析、加工制造和使用维护都有较高的要求。 本文主要以一种适用于我公司研制的 STPW-2型手提式喷丸机的齿啮式快开盲板为例，介绍 了这种基于 CATIA V5软件的 Assembly Design 三维建模模块和 Analysis 强度分析模块的齿啮 式快开盲板的设计方法。

  盲板关闭锁紧过程：转动手轮7，顶盖5,下法兰体8随之转动，下法兰8的齿面与管体11的 上齿面接合，上下齿面沿螺旋面接触旋合；3,4,9组成的密封机构不随之转动只沿轴线方向向下 运动；下法兰体8旋入管体11，上下齿面开始接触，其位置如图8所示，继续旋转手轮7，上下齿 面沿螺旋面接触旋合，3,4,9组成的密封机构下降并压缩密封圈10，当旋转至如图9所示位置时， 盲板锁紧，同时密封圈压缩到位，机构实现锁紧密封。

  图3 新型齿啮式快开盲板结构示意图 1.铰链 2.摇臂 3.转轴 4.铜套 5.顶盖 6.内六角螺钉 7.操作手轮 8.下法兰体 9.密封上端盖 10.密封圈 11.上法兰及管体