隔爆執行機構箱體變形及結構優化設計研究*

武文俊,王 成,禹建勇,夏前好,劉 偉

(1.南京科遠智慧科技集團股份有限公司,江蘇 南京 211102; 2.江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室,江蘇 南京 211102)

0 引 言

執行機構屬于管道閥門的控制裝置,在石油、化工等行業控制領域應用廣泛。而此類應用環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。根據國家標準《GB3836.2爆炸性環境 第2部分:由隔爆外殼“d”保護的設備》要求,在驗證隔爆電氣設備的外殼能否承受內部爆炸力時,需對外殼進行過壓試驗。過壓試驗包括靜壓試驗和動壓試驗兩種,且兩種試驗等效,任選其一即可;按照標準要求,試驗外殼滿足IIC類的要求,需要施加2 MPa的壓力,并保持10～12 s,要求試驗件能承受壓力且不出現降低隔爆性能的通孔和裂紋,也不出現滴水現象即為合格[1]。

隨著有限元仿真技術的不斷成熟,該技術逐漸廣泛應用到不同的領域,在隔爆殼體變形問題的分析上,也有不少的研究者進行了相關研究。張凌云等[2]使用ABAQUS、對隔爆型電動執行機構外殼部分進行了靜壓試驗仿真模擬,得到應力、變形分析結果,從而找出結構的薄弱點,并對隔爆結構的設計進行了優化;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,利用ANSYS對高壓變頻器隔爆外殼的強度、應變進行了分析,并根據分析結果對隔爆裝置外殼的結構、材質進行了改進;陳偉[4]針對隔爆外殼強度設計展開研究,以KJC660外殼為基礎,通過有限元分析計算了隔爆外殼強度,并通過研究加強筋的形狀、間距和布置提出了增加外殼強度和減少外殼重量的設計方案;宋傳智等[5]以隔爆電動執行器的殼體為研究對象,根據靜水壓受載分析結果,建立了殼體重要尺寸的優化數學模型,并通過多目標優化設計以及模糊物元法和熵權法獲得了最佳設計方案。

以上前期相關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度和變形進行分析,且優化設計時主要考慮的是靜壓試驗后的變形情況。而實際靜壓試驗過程中,隔爆面的變形包含了彈性變形和塑性變形,且試驗后彈性變形恢復。雖然靜壓試驗后的變形滿足要求,但試驗過程中的變形以及彈性變形存在不滿足隔爆標準的風險,而且試驗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行機構箱體靜壓試驗過程中和靜壓試驗后的變形情況進行分析,再根據兩個工況下的變形情況進行優化設計。優化后的隔爆執行機構箱體不僅靜壓試驗后的變形滿足要求,靜壓試驗過程中的變形也能滿足要求,試驗結果為提升隔爆產品的安全性和可靠性提供支撐。

1 隔爆執行機構箱體靜壓試驗變形分析

隔爆執行機構箱體屬于產品外殼部分,一般為鑄造鋁合金材質,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,另一個是接線調試的接線腔止口。文中主要針對這兩個隔爆面的變形進行分析研究,分別分析靜壓試驗過程中和靜壓試驗后兩個工況中的隔爆面的變形情況。

在靜壓試驗過程分析中,水壓過程主要是箱體電氣腔和接線腔內充滿水,然后通過水壓機往內部施加水壓(按照隔爆標準GB3836.2-2021要求,以CT4防爆等級為例,水壓壓力2 MPa,持續時長10 s)。因此,可簡化模型,此分析算例單獨對箱體進行分析即可,隔爆執行機構箱體的模型如圖1所示。

圖1 隔爆執行機構箱體 圖2 箱體等效應力分布

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,導入Simulation中,給箱體賦予材料,文中涉及的隔爆執行機構箱體材質為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,屈服強度185 MPa。

網格劃分:由于箱體為復雜曲面零件,采用自動網格形式進行劃分,網格劃分后,節點數量1 272 237,單元數量806 234,網格質量良好。

載荷步設定:分析兩個工況主要包括靜壓試驗過程中和靜壓試驗后,靜壓試驗過程要求保持10 s。因此設置三個載荷步: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:根據靜壓試驗過程中壓力的變化分別給三個載荷步設置對應的壓力值。此外,靜壓試驗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:工況一為靜壓試驗過程,對應第二分析載荷步;工況二為靜壓試驗后,對應是的第三載荷步的最后1 s。

后處理結果如圖2～4所示。

(3) 分析結果匯總

隔爆執行機構箱體靜壓試驗變形分析結果如表1所列。

表1 分析結果匯總表

由表1分析結果得到,工況一的最大應力236 MPa,但是從應力分布云圖來看,排除應力集中點以外,大部分位置等效應力都在150 MPa以內,小于屈服強度170 MPa,說明靜壓試驗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,已經超過標準要求的0.15 mm,存在較大的風險;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 隔爆執行機構箱體優化設計

分析發現,隔爆執行機構箱體靜壓試驗過程中和靜壓試驗后主要變形的風險點為電氣腔止口隔爆面的變形情況,確認此處為主要改進位置;電氣腔止口隔爆面的變形情況主要呈現為兩個安裝孔中間往外擴的變形趨勢。因此,需要在變形最大的位置外部增加加強筋,同時內部腔體內也增加加強筋,加強筋的分布情況如圖6所示。

圖6 加強筋的分布圖 圖7 優化后箱體等效應力分布

對優化后的隔爆執行機構箱體依照上述分析步驟重新進行分析計算,最終計算的變形云圖如圖7～9所示。優化前后的分析結果如表2所列。

圖8 優化后箱體隔爆面變形(工況一) 圖9 優化后箱體隔爆面變形(工況二)

表2 結構優化前后分析結果匯總表 /mm

從表2中優化前后的分析結果來看,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%,整體結構剛度改善明顯。

3 試驗研究

對該隔爆執行機構箱體進行靜壓試驗研究,過程如下。

(1) 選擇5個優化前的隔爆執行機構箱體,分別編號1～5#,另外選擇5個優化后的隔爆執行機構箱體(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前的尺寸數據并做好記錄。

圖10 優化后的隔爆執行機構箱體 圖11 靜壓試驗裝置

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

(3) 將出水口關閉,靜壓試驗裝置施加2 MPa的壓力,設置持續時間10 s,觀察加壓過程中外殼表面有無連續滴水。

(4) 測試結束后,查看隔爆執行機構箱體表面有無裂紋,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,根據靜壓試驗前后的尺寸計算出隔爆面的變形數據。

涉及的隔爆執行機構箱體優化前后的隔爆面試驗測試記錄分別如表3、4所列。

表3 優化前隔爆執行機構箱體靜壓試驗變形情況

表4 優化后隔爆執行機構箱體靜壓試驗變形情況

由上述試驗測試的數據得出如下結果。

(1) 優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) 優化前電氣腔隔爆止口面變形實測數據與仿真結果存在一定的差異。分析原因發現,仿真分析不能體現零件本身內部材質組織不均勻的影響,這與零件原材料和成型方式有關。

(3) 對比優化前后測量數據,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,強度基本也是提升2倍左右,說明仿真分析的結果趨勢與實際試驗的數據變化趨勢是一致的,仿真分析具有一定的參考意義。

4 結 論

隔爆執行機構產品對隔爆面的變形要求比較嚴格,常見的試驗驗證和結構分析主要還是針對靜壓試驗后的變形,對試驗過程中的變形情況分析不足,因此會存在一定的風險。文章利用有限元軟件,以隔爆執行機構箱體的兩個隔爆面為例,分別對靜壓試驗過程中和靜壓試驗后兩個工況進行分析研究,根據兩個工況中隔爆面的變形情況進行結構優化設計,最后進行相關試驗驗證,待出最終結果如下。

(1) 靜壓試驗過程中箱體隔爆面存在較大的彈性變形,試驗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行分析研究。

(2) 箱體隔爆面變形的分析計算與實際試驗數據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行機構箱體隔爆面試驗過程中和試驗后的變形進行分析研究,根據分析結果進行優化設計對隔爆執行機構產品設計、降低開發成本和試驗成本具有一定的參考意義。