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高溫高壓染色機(jī)廣泛應(yīng)用于紡織印染行業(yè).某機(jī)械制造廠生產(chǎn)的染色機(jī)的設(shè)計(jì)壓力為0.44 MPa，設(shè)計(jì)溫度為154.5工作壓力為0.4 MPa，工作溫度為151.7℃。介質(zhì)為高溫染液，接管、球形封頭、短筒體及斜筒體的材料為OCr17Ni12Mo2，機(jī)頭門框、門框后鈕及法蘭材料為0Cr18Ni9。由于溫度、壓力的波動，機(jī)頭箱承受交變載荷作用，為了確保其安全運(yùn)行，本文對機(jī)頭箱進(jìn)行了強(qiáng)度有限元分析。
機(jī)頭箱球形封頭直徑為600 mm，球形封頭上接管B和接管C的外直徑分別為318.5 mm和388mm，開孔率均超過5000，而且開孔邊緣相距最近處僅為90 mm，這樣會造成兩孔邊的應(yīng)力集中，且相互干涉，所以，此處是強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)。短筒體的長度僅為250 mm，小于300 mm(球形封頭直徑的一半)，也應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析和評定。因此，本文取整個機(jī)頭箱為分析對象。考慮到視鏡孔直徑為150mm，軸座孔直徑為200 mm，其開孔率相對較小，斜筒體和短筒體的實(shí)際厚度遠(yuǎn)大于按內(nèi)壓筒體設(shè)計(jì)所需要的設(shè)計(jì)厚度，故在有限元建模中將其忽略。
由于機(jī)頭箱有一個對稱面，現(xiàn)取其二分之一建立如有限元分析模型。圖中坐標(biāo)系的確定方法是以法蘭A的外邊緣點(diǎn)為原點(diǎn)，取對稱面為XOY面，按右手法則確定Z方向。
由于密封元件均采用O型圈，密封所需的預(yù)緊力和工作時的密封力都較小，所以，本文只考慮操作工況下內(nèi)壓引起的力。
XOY平面在Z方向的位移、XOZ平面上法蘭A螺栓孔中心圓在Y方向的位移均為零。為防止機(jī)頭箱的剛體平移，取原點(diǎn)O的X方向位移為零。
有限元分析采用有限元分析軟件ANSYS。用10節(jié)點(diǎn)四面體單元劃分模型，得到的有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為70718，單元數(shù)為37950。材料在設(shè)計(jì)條件和工作條件下的楊氏彈性模量均為1.87X105 MPa，泊松比為0.28。設(shè)計(jì)壓力和工作壓力下機(jī)頭箱的應(yīng)力強(qiáng)度分布。最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在短筒體與法蘭A連接處的外表面。
計(jì)算表明，在設(shè)計(jì)壓力和工作壓力下，接管B和C與球形封頭相交形成的截面以及短筒體與法蘭A相交的截面是危險截面。據(jù)此采用應(yīng)力分類方法對其三維有限元數(shù)值解進(jìn)行評定。選擇A-A，B-B，C-C，D-D，E-E以及F-F為應(yīng)力評定線。A-A，B-B，C-C，D-D應(yīng)力評定線上，薄膜應(yīng)力為一次總體薄膜應(yīng)力，其強(qiáng)度用設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度5m進(jìn)行限制；E-E，F(xiàn)-F應(yīng)力評定線上的薄膜應(yīng)力為局部薄膜應(yīng)力，其強(qiáng)度用1.55m限制；在所有應(yīng)力評定線上，均保守地取內(nèi)壁、外壁中較大的總應(yīng)力強(qiáng)度為一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度和二次應(yīng)力強(qiáng)度的疊加，用3Sm進(jìn)行限制，這兩個應(yīng)力限制條件要求同時滿足。按文獻(xiàn)的規(guī)定，在設(shè)計(jì)溫度下，0Cr17Ni12Mo2和0Cr18Ni9的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度5m分別為107 MPa和103 MPa。各應(yīng)力評定線的應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果，其中，pm為一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，Q為二次應(yīng)力強(qiáng)度。可見，各截面均能滿足應(yīng)力強(qiáng)度校核條件。
最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在短筒體與法蘭A連接處，其值為210.1 MPa，對應(yīng)的交變應(yīng)力強(qiáng)度幅為105.1 MPa。考慮到溫度對材料彈性模量的影響，將其乘以設(shè)計(jì)疲勞曲線給定材料彈性模量值與接管材料彈性模量值之比，得到溫度修正后的最大交變應(yīng)力幅為112.4 MPa.由設(shè)計(jì)疲勞曲線可知，與最大交變應(yīng)力幅對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為無限大。由此可知，若不考慮內(nèi)部介質(zhì)對疲勞壽命的影響，該機(jī)頭箱滿足疲勞壽命要求。
結(jié)論：a.按應(yīng)力分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，高溫高壓染色機(jī)機(jī)頭箱滿足強(qiáng)度要求.若假設(shè)內(nèi)部介質(zhì)對疲勞壽命無影響，機(jī)頭箱不會發(fā)生疲勞破壞。
b.接管B、接管C與球形封頭以及短筒體與法蘭A相連接的焊接接頭處，存在較大的應(yīng)力集中，每年應(yīng)至少一次對這些部位進(jìn)行表面檢測。
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