齿啮式快开盲板的标准化设计

齿啮式快开盲板的标准化设计

王思聪潘建宇方晨陈鹤嘉

（中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司技术装备中心工装设计所，辽宁沈阳110850）摘要：在CA TIA V5 环境下，设计齿啮式快开盲板的三维模型，并通过CA TIA Analysis有限元分析软件模拟齿啮式快开盲板的接触过程，设计出符合符合GB 150-1998和GB/T3452.1-1992标准的快开盲板，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压力容器设计方法。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：标准化，快开盲板，结构设计；有限元分析.

引言

快开盲板是用于压力容器或压力管道的圆形开口上，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压力容器的重要部件，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较高。据统计，齿啮式快开容器的爆炸事故占我国压力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，介绍了一种在CATIA V5环境下，基于GB 150-1998和SY/T0556的齿啮式快开盲板的设计方法。

1.齿啮式快开盲板的工作原理

1.1齿啮式快开盲板的相关标准

作者简介：

王思聪（1989—）,男,籍贯：河北唐山,助理工程师,研究方向:非标机电产品设计,Email:*******************;

潘建宇（1986—）,男,籍贯：辽宁辽阳,助理工程师,研究方向:非标机电产品设计,Email:*********************

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、低压压力容器，工作压力一般在0.8MPa-6.4MPa之间，工作温度在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]，另外齿啮式快开盲板的管体设计，应符合GB 150-1998钢制压力容器设计标准，其密封设计应符合GB/T3452.1-1992液压气动用O形橡胶密封圈尺寸系列及公差标准。

1.2传统齿啮式快开盲板存在的问题

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可以实现上法兰齿和卡箍齿之间的啮合与错开，从而达到开关的目的。

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，发生事故。2）端盖打开时（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，从而导致压力容器系统失压，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，长期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，焊接结构容易发生应力变形。从而影响盲板的锁紧和密封。

图1传统齿啮合式快开盲板结构示意图图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

1.3新型齿啮式快开盲板的结构

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，用于连接压力容器与盲板的上端盖，摇臂可以铰链的轴线为旋转轴线旋转；2）3、4、5、6、7、8、9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。

1.4新型齿啮式快开盲板的工作原理

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。

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。

1.5新型齿啮式快开盲板的优点

新型齿啮式快开盲板的优点在于：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，从而保证压力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，整个过程先降压，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使用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。