齿啮式卡箍连接设计计算软件开发文献综述

文献综述

1.课题研究的工程背景

1.1快开结构的背景

快速开关盖式压力容器是指将盖旋转一定的角度或将锁紧件移动一定的距离,可以完成启闭的压力容器，跟传统的标准螺栓法兰连接,由于不需要逐一拧紧或松开紧固螺栓,因此快开式压力容器能够更快实现压力容器的启闭,物料的装卸更方便,在许多频繁间歇操作场合得到了广泛的应用。快开结构除了在化工机械应用广泛，在其他领域也应用极广，小到日常生活中的压力煮饭锅,大到航天飞船上的进出口,都使用了不同结构形式的快开门盖。快开使用广泛,结构多样,型式不同,开关频繁使用中一旦操作不当，即快开门盖未完全关闭就升压,或设备中的压力没有释放完毕就开启门盖,极易造成操作者的伤亡事故。据国家安全监察部门的统计,快开门式压力容器发生的事故占整个压力容器事故总量的30%左右[1-3]。劳动部锅炉压力容器安全监察局在1988年就专门组织原上海市锅炉压力容器检验所等单位人员调研并编写了快开门式压力容器安全管理规定。其中对压力容器快开门端盖及其锁紧装置的设计必须符合以下要求:1.快开门及其锁紧装置达到预定工作部位,方能升压运行的联锁控制机能;2.压力容器的内部压力完全释放,锁紧装置脱开,方能打开快开门的联锁联动作用;3.具有与上述动作同步的报警装置。

1.2齿啮式快开结构简介

快开式压力结构按基本原理一般可以分为五大类，分别为齿啮式、压紧式、卡箍式、部分环式和移动式等[4]。本文研究的就是基于齿啮式快开结构，齿啮式快开结构主要是通过外力将炉门盖或者卡箍移动一些距离或者旋转一定角度达到方便开启的功能。齿啮式快开结构的压力容器应用于各种工业领域，如家用的压力锅、粉末冶金用的烧结炉等。齿啮式快开结构作为主体结构的压力容器大都为中压容器或者低压容器。卡箍与法兰为一体的整体相连的齿啮式卡箍连接和卡箍与法兰为单独部件的齿啮式卡箍连接组成齿啮式快开结构两大分类，两种连接具式和结构见下图1-1。

图1-1

齿啮式快开结构的主要是有上法兰、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。根据不同的设计压力和圆筒直径,齿啮式快开盖装置的具体结构形式略有不同,但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某一个角度可以实现上法兰齿和卡箍齿之间的啮合与错开,从而达到快速开关门的目的。此结构一般使用在直径较大的场合,由于仪表的误差和人为失误容易在卡箍和封头形成打开状态时,如容器内有残余气体容易发生门盖飞弹出来,发生事故；据介绍齿啮式快开结构爆炸事故占我国压力容器爆炸事故的三分之一。因此为了避免这个安全隐患,可以在门盖和筒体之间用一个简易装置连接起来,这样在操作失误时候,可以起到一个缓冲作用,进一步提高齿啮式快开结构的安全性能[5-11]，示意图见图1-2，本文研究的就是基于齿啮式快开结构的卡箍连接技术，通过公式计算的方法对齿啮式快开结构卡箍连接技术的设计和计算进行了软件开发（VB编程设计），使其能够最大可能的方便在工程中的应用。

图1-2齿啮式快开装置

2.齿啮式快开卡箍连接的优点

卡箍齿啮式快开结构卡箍连接之所以能够大量的被引用，这和它独有的特点是分不开的，其主要有如下几个优点：

（1）操作简单，维修方便

常规卡箍的连接操作是非常简易的，卡箍连接只要几个螺栓连接，无需特殊的专业技能，普通工人经过简单的培训即可操作。

（2）有利于施工安全

卡箍连接采用的是沟槽管件连接技术，现场仅需要切割机、滚槽机和钮紧螺栓用的搬手，施工组织方便，安全。

（3）经济效益良好

由于卡箍连接操作简单，省工省时，因此具有良好的经济效益。

（4）结构紧凑,易于清洗

卡箍连接通常由两个高颈环和两个半圆卡箍组成,由四个螺栓连接固定,安装完后外表面整齐，没有局部沟槽，清洗方便,很适合对洁净度有要求的的场合。

3.齿啮式快开卡箍连接发展趋向

卡箍连接以其独有的特点在机械，化工中占着举足轻重的地位，虽然现在卡箍连接的研究正在逐渐减少，但随着科技的快速发展，但对卡箍连接的研究一直没有停止，未来卡箍的发展呈现下面几个趋势：

1）低重量。即研制结构轻便、操作灵活的卡箍满足新研机构的需求，例如，新型铝合金导管柔性连接卡箍与对应的用于相同管径的导管的HB6521-91卡箍相比，重量减轻了65％～70%。

2）高密封性。例如，新型铝合金导管柔性连接卡箍连接管道成柔性，每一个管接头都允许一定的伸缩量与转角，能吸收管基的变形（位移、转角等），能吸收温度变化带给管道的热胀冷缩变化，不致使管道产生应力，能消除管道振动，从而提高密封性。

3）高性能化。卡箍在设计时尽量实现高性能化，即尽可能研制出耐高温、耐高压导管连接卡箍，以满足恶劣环境（如发动机附近）的使用需求。如俄制卡箍OCT110085耐高温达650℃，满足发动机引气附近空调系统的使用要求。

4）简洁性。安装快捷、维修性佳。减少装机工具，方便安装、拆卸，利于维护，缩短装机、维修时间等，它将成为今后卡箍研究领域的发展方向。

5）高可靠性。为满足今后新研飞机的长寿命需求，卡箍的寿命及可靠性也将给予充分考虑。

6）高耐蚀性。为保证卡箍在沿海等复杂环境下保持高密封性，必须在设计时尽量采用耐腐蚀材料，并进行必要的表面防护工作。

4.卡箍连接标准

由于卡箍管件连接涉及给水、消防、石化、军工等多个领域，因此行业管理制度相对比较严较严格。首先产品必须满足《卡箍式管接头》（CJ/T156-2001）的行业标准，其材质应为球墨铸铁，并符合现行国家标准《球墨铸铁件》（CB/T1348）的要求。其次必须通过国家固定灭系统和耐火物件质量监督检验中心的检验。从而在政府行业上系统和耐火物件质量监督检验中心的检验。从而在政府行业上控制了此产品行业的高质有序发展。最后，因为卡箍被大量的应用在不同的行业，其必须满足各行业制定的卡箍标准，本次设计用到的主要标准有：压力容器GB150-2011；管壳式换热器GB151-1999；HGT20582-2011钢制化工容器强度计算规定；QJ2773-1995通用卡箍技术条件；QJ177.1A-1995-QJ177.18A-1995通用卡箍标准系列；HG20580-20585卡箍标准系列等。

5.齿啮式快开卡箍连接国内外研究现状

快开式容器把容器的端盖或锁紧件经过一次连续的机械动作后能完成开启和闭合过程,而不需逐个上紧紧固螺栓的容器,不但省时省力,而且易于实现操作的自动控制[12],基于以上优点,国内外都很早的开始了对卡箍的研究。

5.1国内设计与研制

卡箍连接技术在国内的开发时间晚于国外，但由于其技术的先进性，很快被国内市场所接收。从1998年开始研制开发，经过短短几年的开发和应用，已逐渐取代了法兰和焊接的两种传统管道连接方式。技术上相对来说已经相当成熟，市场认可率很高，而且国家法规政策,规范标准健全完善,现在在市场上已经形成了体系,种类比较健全的卡箍连接体系,但是在一些高端卡箍连接领域仍然和国外有不小的差距。

5.2国外新型卡箍研究分析

国外现阶段对卡箍的研究主要集中在新型带垫固定卡箍上[13],新型带垫固定卡箍结构较为简单，一般由金属支架和衬垫组成，主要用于导管、导线及电缆的安装与固定。衬垫的材料根据使用要求可由多种材料制造，主要有不同性能的橡胶，以及塑料、特氟隆、玻璃纤维，甚至金属等。同时，为满足不同的使用要求，衬垫结构形式各异。新型带垫固定卡箍，如马鞍形卡箍、带锁扣的固定卡箍、W形衬垫卡箍、双峰形衬垫卡箍、凸尖形衬垫卡箍、盒形衬垫卡箍、无销式铰链环形卡箍等，是目前国外飞机上广泛采用的标准件。与我国现用的航标同类卡箍相比，新型卡箍衬垫形式多样化，能起到更为明显的固定和阻尼振动的效果，提高了整体结构的减震性能,提高了密封性能，防止腐蚀现象发生，同时维护方便，使用简单，再配上螺栓双重保险，设计更合理。因此，从某种意义上讲，新型卡箍提高了安装性、维护性和可靠性，同时也提高了卡箍的密封性和减振性[14-16]。

5.3卡箍链接的工程应用之一(烧结炉)的国内外现状

烧结炉（参见图1-3）[17]是用于冶金材料或冶金制品烧结的冶金炉。冶金是运用一些不同金属通过一系列各种不同的工序产生一种新的具有工艺指定特殊性能的金属的过程。冶金的重要工序之一就是烧结，工艺过程是利用高温使不同金属或者非金属原子发生移动，造成原子与原子之间相互吸引，最终在质量不变的情况下体积缩小，从而产生一种新的晶粒。其分为四个基本阶段：低温欲烧阶段、中温升温烧结阶段、高温保温烧结阶段和高温冷却烧结阶段，四个阶段发生物理或者化学反应，构成烧结的整个工艺过程。烧结过程中，通常需要通入一些如氢气、氩气、氨气、氮气等一些还原性或者中性气体，目的是形成烧结保护气氛，防止烧结出的新金属氧化，还可以去除一些如水和氧化性气体等杂质。

图1-3冶金烧结炉

国外压力烧结技术远领先于国内，尤其是高压烧结炉。我国为了更大地提升烧结炉的技术水平和生产能力，于1986年引进了国外各种系列和规格的烧结炉。1988年之后，在学习国外烧结炉的工艺过程和结构设计的同时，我国也开始自主研发一系列的烧结炉，通过多年实践，在此领域逐渐实现了国产化、系列化，株洲金瑞中高频设备有限公司、吴江亿泰光伏设备有限公司主要厂商的产品基本主宰了国内市场（烧结炉见图1-4,1-5）[18，19]。

图1-4国产烧结炉

在国内中的低中端领域,国产烧结炉基本垄断了整个市场,但在高端领域,占主导地位的仍然是国外品牌,国外品牌在效能,可靠性,创新性,操作方便性等方面都有着国内品牌无法比拟的优势,例如烧结炉中较高效的高压粉末冶金压力烧结炉[20-23],其主要厂商目前依旧是德国海多恩真空烧结炉公司、普发拓普真空设备公司和FCT系统工程公司。

1-5高压烧结炉结构简图

6.设计软件-VB简介

6.1VB简介：

VB是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。

6.2VisualBasic特点：

（1）可视化编程。

用传统程序设计语言设计程序时，都是通过编写程序代码来设计用户界面，在设计过程中看不到界面的实际显示效果，必须编译后运行程序才能观察。如果对界面的效果不满意，还要回到程序中修改有时候，这种编程-编译-修改的操作可能要反复多次，大大影响了软件开发效率。VB提供了可视化设计工具，把Windows界面设计的复杂性封装起来，开发人员不必为界面设计而编写大量程序代码。只需要按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各种部件，即图形对象，并设置这些图形对象的属性。VisualBasic自动产生界面设计代码，程序设计人员只需要编写实现程序功能的那部分代码，从而可以大大提高程序设计的效率。

（2）面向对象的程序设计。

4.0版以后的VB支持面向对象的程序设计，是应用面向对象的程序设计方法，把程序和数据封装起来作为一个对象，并为每个对象赋予应有的属性，使对象成为实在的东西。在设计对象时，不必编写建立和描述每个对象的程序代码，而是用工具画在界面上，VB自动生成对象的程序代码并封装起来。每个对象以图形方式显示在界面上，都是可视的。

6.3VisualBasic的发展历史

1991年，微软公司推出了VB1.0。当时引起了很大的轰动。这个连接编程语言和用户界面的进步被称为Tripod，最初的设计是由AlanCooper完成的。许多专家把VB的出现当做是软件开发史上的一个具有划时代意义的事件。在当时，它是第一个可视的编程软件。这使得程序员欣喜之极，都尝试在VB的平台上进行软件创作。微软也不失时机地在四年内接连推出2.0、3.0、4.0三个版本。并且从VB3.0开始，微软将Access的数据库驱动集成到了VB中，这使得VB的数据库编程能力大大提高。从VB4.0开始，VB也引入了面向对象的程序设计思想。VB功能强大，学习简单。而且，VB还引入了控件的概念，使得大量已经编好的VB程序可以被我们直接拿来使用。

2002年开始，微软将.NETFramework与VB结合而成为VB.NET，重新打造VB，新增许多特性及语法，又将VB推向一个新的高度。通过几年的发展，VB已成为一种专业化的开发语言和环境。用户可用VB快速创建Windows程序，并可编写企业水平的客户端/服务器程序及强大的数据库应用程序。

7.机械设计中基于VB的计算机辅助设计应用

随着计算机语言的飞速发展，机械和化工领域也开始将计算机编程设计与常规的设计准则，经验公式融合在一起。要进行计算机辅助的机械优化设计，必须考虑考虑具体的机械设计任务内容：一方面，机械设计任务内容比较复杂，比如，需要大量计算、查询大量的数表和线图，绘制零件工作图等；另一方面，每种计算机开发语言都有特长与不足，而且不同开发人员的基础各有差别。因此选择开发平台要综合考虑上述方面因素。就开发语言来说，VB语言的功能强大，在计算功能方面最优秀，语法也贴近生活，简单易学，达到实战所需要的学习时间最少，和VC这样的主流语言相比较，VB具有不可取代的简单实用性和真正的所见即所得特性。所以仅仅短短几年间，VB就成为计算机辅助设计主要的编程语言，其开发周期短，代码效率高，从根本上改变了程序的设计模式，使计算机辅助设计技术向前迈进了一大步，开创了可视化编程的先河[24,25]。

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