隔爆执行机构箱体变形及结构优化设计研究*

武文俊,王 成,禹建勇,夏前好,刘 伟

(1.南京科远智慧科技集团股份有限公司,江苏 南京 211102; 2.江苏省热工过程智能控制重点实验室,江苏 南京 211102)

0 引 言

执行机构属于管道阀门的控制装置,在石油、化工等行业控制领域应用广泛。而此类应用环境多存在爆炸性气体或可燃性粉尘,因此需要满足隔爆要求。根据国家标准《GB3836.2爆炸性环境 第2部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》要求,在验证隔爆电气设备的外壳能否承受内部爆炸力时,需对外壳进行过压试验。过压试验包括静压试验和动压试验两种,且两种试验等效,任选其一即可;按照标准要求,试验外壳满足IIC类的要求,需要施加2 MPa的压力,并保持10～12 s,要求试验件能承受压力且不出现降低隔爆性能的通孔和裂纹,也不出现滴水现象即为合格[1]。

随着有限元仿真技术的不断成熟,该技术逐渐广泛应用到不同的领域,在隔爆壳体变形问题的分析上,也有不少的研究者进行了相关研究。张凌云等[2]使用ABAQUS、对隔爆型电动执行机构外壳部分进行了静压试验仿真模拟,得到应力、变形分析结果,从而找出结构的薄弱点,并对隔爆结构的设计进行了优化;杨华[3]分析了煤矿用高压大功率隔爆变频装置的外壳特点,利用ANSYS对高压变频器隔爆外壳的强度、应变进行了分析,并根据分析结果对隔爆装置外壳的结构、材质进行了改进;陈伟[4]针对隔爆外壳强度设计展开研究,以KJC660外壳为基础,通过有限元分析计算了隔爆外壳强度,并通过研究加强筋的形状、间距和布置提出了增加外壳强度和减少外壳重量的设计方案;宋传智等[5]以隔爆电动执行器的壳体为研究对象,根据静水压受载分析结果,建立了壳体重要尺寸的优化数学模型,并通过多目标优化设计以及模糊物元法和熵权法获得了最佳设计方案。

以上前期相关的研究主要集中在利用有限元方法或软件对隔爆外壳的强度和变形进行分析,且优化设计时主要考虑的是静压试验后的变形情况。而实际静压试验过程中,隔爆面的变形包含了弹性变形和塑性变形,且试验后弹性变形恢复。虽然静压试验后的变形满足要求,但试验过程中的变形以及弹性变形存在不满足隔爆标准的风险,而且试验过程中的变形情况也无法测量。针对上述问题,笔者利用有限元软件分别对隔爆执行机构箱体静压试验过程中和静压试验后的变形情况进行分析,再根据两个工况下的变形情况进行优化设计。优化后的隔爆执行机构箱体不仅静压试验后的变形满足要求,静压试验过程中的变形也能满足要求,试验结果为提升隔爆产品的安全性和可靠性提供支撑。

1 隔爆执行机构箱体静压试验变形分析

隔爆执行机构箱体属于产品外壳部分,一般为铸造铝合金材质,涉及隔爆的位置主要有两个:一个是安装电器元件的电气腔止口面,另一个是接线调试的接线腔止口。文中主要针对这两个隔爆面的变形进行分析研究,分别分析静压试验过程中和静压试验后两个工况中的隔爆面的变形情况。

在静压试验过程分析中,水压过程主要是箱体电气腔和接线腔内充满水,然后通过水压机往内部施加水压(按照隔爆标准GB3836.2-2021要求,以CT4防爆等级为例,水压压力2 MPa,持续时长10 s)。因此,可简化模型,此分析算例单独对箱体进行分析即可,隔爆执行机构箱体的模型如图1所示。

图1 隔爆执行机构箱体 图2 箱体等效应力分布

图3 箱体隔爆面止口变形(工况一) 图4 箱体隔爆面止口变形(工况二)

(1) 前处理

SolidWorks建立箱体模型后,导入Simulation中,给箱体赋予材料,文中涉及的隔爆执行机构箱体材质为YL113,铝合金压铸成型,材料密度2 770 kg/m3,弹性模量71 GPa,泊松比0.33,屈服强度185 MPa。

网格划分:由于箱体为复杂曲面零件,采用自动网格形式进行划分,网格划分后,节点数量1 272 237,单元数量806 234,网格质量良好。

载荷步设定:分析两个工况主要包括静压试验过程中和静压试验后,静压试验过程要求保持10 s。因此设置三个载荷步:第一载荷步0～5 s,压力从0升到2 MPa,为加压过程;第二载荷步5～15 s,压力保持在2 MPa,为保压过程;第三载荷步15～20 s,压力从2降为0 MPa,为卸压过程。

施加载荷和边界条件:根据静压试验过程中压力的变化分别给三个载荷步设置对应的压力值。此外,静压试验过程中电气腔和接线腔分别与工装装配,故边界条件选择将两个安装螺纹孔固定约束。

(2) 求解和后处理

后处理主要分析箱体的等效应力、电气腔止口面的变形和接线腔止口面的变形。

分析工况:工况一为静压试验过程,对应第二分析载荷步;工况二为静压试验后,对应是的第三载荷步的最后1 s。

后处理结果如图2～4所示。

(3) 分析结果汇总

隔爆执行机构箱体静压试验变形分析结果如表1所列。

表1 分析结果汇总表

由表1分析结果得到,工况一的最大应力236 MPa,但是从应力分布云图来看,排除应力集中点以外,大部分位置等效应力都在150 MPa以内,小于屈服强度170 MPa,说明静压试验过程中大部分变形为弹性变形;从表1中电气腔止口隔爆面的变形情况来看,虽然工况二的变形很小,只有4.31×10-9mm,但工况一的最大变形0.18 mm,已经超过标准要求的0.15 mm,存在较大的风险;另外箱体接线腔止口隔爆面的工况一的变形均比较小,在0.05 mm左右,此位置的变形安全余量较大。

2 隔爆执行机构箱体优化设计

分析发现,隔爆执行机构箱体静压试验过程中和静压试验后主要变形的风险点为电气腔止口隔爆面的变形情况,确认此处为主要改进位置;电气腔止口隔爆面的变形情况主要呈现为两个安装孔中间往外扩的变形趋势。因此,需要在变形最大的位置外部增加加强筋,同时内部腔体内也增加加强筋,加强筋的分布情况如图6所示。

图6 加强筋的分布图 图7 优化后箱体等效应力分布

对优化后的隔爆执行机构箱体依照上述分析步骤重新进行分析计算,最终计算的变形云图如图7～9所示。优化前后的分析结果如表2所列。

图8 优化后箱体隔爆面变形(工况一) 图9 优化后箱体隔爆面变形(工况二)

表2 结构优化前后分析结果汇总表 /mm

从表2中优化前后的分析结果来看,箱体电气腔止口变形改善明显,变形量由0.18 mm降低到0.066 mm,降低了63.3%,接线腔位置由于整体腔体变化,变形量也降低了54%,整体结构刚度改善明显。

3 试验研究

对该隔爆执行机构箱体进行静压试验研究,过程如下。

(1) 选择5个优化前的隔爆执行机构箱体,分别编号1～5#,另外选择5个优化后的隔爆执行机构箱体(如图10所示),分别编号6～10#,分别测量电气腔隔爆止口面和接线腔隔爆止口面静压试验前的尺寸数据并做好记录。

图10 优化后的隔爆执行机构箱体 图11 静压试验装置

(2) 将箱体与试验工装装配好,连接上静压试验装置,将箱体内部充满水,试验装置图11所示。

(3) 将出水口关闭,静压试验装置施加2 MPa的压力,设置持续时间10 s,观察加压过程中外壳表面有无连续滴水。

(4) 测试结束后,查看隔爆执行机构箱体表面有无裂纹,电气腔隔爆止口面和接线腔隔爆止口面有无损伤,然后分别测量电气腔隔爆止口面和接线腔隔爆止口面的尺寸,根据静压试验前后的尺寸计算出隔爆面的变形数据。

涉及的隔爆执行机构箱体优化前后的隔爆面试验测试记录分别如表3、4所列。

表3 优化前隔爆执行机构箱体静压试验变形情况

表4 优化后隔爆执行机构箱体静压试验变形情况

由上述试验测试的数据得出如下结果。

(1) 优化前电气腔隔爆止口面变形较大,基本在0.05～0.08 mm之间,接线腔隔爆止口面基本无变形,这与仿真的趋势是一致的。

(2) 优化前电气腔隔爆止口面变形实测数据与仿真结果存在一定的差异。分析原因发现,仿真分析不能体现零件本身内部材质组织不均匀的影响,这与零件原材料和成型方式有关。

(3) 对比优化前后测量数据,电气腔隔爆止口面变形量从0.05～0.08 mm降低到0.01～0.03 mm,强度提升到原来的2倍左右,仿真的变形从0.18 mm降低到0.066 mm,强度基本也是提升2倍左右,说明仿真分析的结果趋势与实际试验的数据变化趋势是一致的,仿真分析具有一定的参考意义。

4 结 论

隔爆执行机构产品对隔爆面的变形要求比较严格,常见的试验验证和结构分析主要还是针对静压试验后的变形,对试验过程中的变形情况分析不足,因此会存在一定的风险。文章利用有限元软件,以隔爆执行机构箱体的两个隔爆面为例,分别对静压试验过程中和静压试验后两个工况进行分析研究,根据两个工况中隔爆面的变形情况进行结构优化设计,最后进行相关试验验证,待出最终结果如下。

(1) 静压试验过程中箱体隔爆面存在较大的弹性变形,试验过程中隔爆面尺寸的变形测量难度大,而有限元分析在一定程度上可以进行分析研究。

(2) 箱体隔爆面变形的分析计算与实际试验数据虽然存在一定的差异,但变形的趋势基本一致。因此,可利用有限元分析对隔爆执行机构箱体隔爆面试验过程中和试验后的变形进行分析研究,根据分析结果进行优化设计对隔爆执行机构产品设计、降低开发成本和试验成本具有一定的参考意义。