孫春一
(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧撫順113001)
摘要：提出了換熱器抽芯高空作業(yè)車抽芯工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。論述了抽芯工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)與工作原理,主要介紹了縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算,其中安全系數(shù)采用二級(jí)模糊綜合評(píng)判方法來確定。該設(shè)計(jì)使換熱器抽芯高空作業(yè)車集起重、抽芯、行走三大功能于一體,實(shí)現(xiàn)了抽芯設(shè)備整機(jī)一體化,改變了依賴吊車配合作業(yè)的落后局面。
關(guān)鍵詞：換熱器; 抽芯; 工作臺(tái); 設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):ＴＱ05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Ａ
為了實(shí)現(xiàn)換熱器檢修效率大幅度提高,增加檢修工作自動(dòng)化和文明生產(chǎn)的程度,我們?cè)O(shè)計(jì)了換熱器抽芯高空作業(yè)車。它實(shí)現(xiàn)了行車式換熱器抽芯機(jī)的方案,將抽芯設(shè)備與汽車底盤有機(jī)結(jié)合成一體,不但能自動(dòng)升降抽芯,而且可在各裝置之間或煉油廠之間行走,提高了設(shè)備的機(jī)動(dòng)性能。作業(yè)車設(shè)計(jì)分為主體金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-2]和抽芯工作臺(tái)設(shè)計(jì)兩部分,這里主要介紹抽芯工作臺(tái)設(shè)計(jì)。
1 現(xiàn)用抽芯機(jī)主要不足
目前,各煉油廠或化工廠一般采用半機(jī)械化裝置[3-4],如框架式螺旋增力抽芯機(jī)、框架式卷?yè)P(yáng)抽芯機(jī)等。抽芯時(shí),吊車吊起抽芯機(jī)至空中,周向?qū)?zhǔn)換熱器管束后,抽芯機(jī)的一端剛性固定在塔臺(tái)換熱器殼體上,用鋼絲繩套在管束的管板上,鋼絲繩另一端套在移動(dòng)螺母上,開動(dòng)電動(dòng)機(jī)后絲杠周向移動(dòng)或卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)工作,產(chǎn)生拉力將管束從殼體中抽出,抽出管束后,抽芯機(jī)連同管束被吊車放到地面。上述抽芯機(jī)構(gòu)雖在一定程度上提高了檢修的自動(dòng)化程度,但仍存在大量缺陷。首先,抽芯機(jī)不能獨(dú)立工作,必須依靠大型吊車配合才能完成抽芯作業(yè);第二,抽芯機(jī)長(zhǎng)9ｍ,無論是運(yùn)輸還是操作都不方便;第三,抽芯機(jī)連同管束在空中搖擺度很大,工人作業(yè)十分困難,安全性較差;第四,抽芯過程中需2次停機(jī),人工移動(dòng)鋼絲繩的位置,抽芯時(shí)間長(zhǎng),占用工時(shí)比例大,自動(dòng)化程度還是太低。
2新型抽芯工作臺(tái)工作原理
2.1 技術(shù)性能
抽芯工作臺(tái)為液壓形式與機(jī)械形式相結(jié)合,最大抽芯規(guī)格?1200ｍｍ×6000ｍｍ;最大起重量為10000ｋｇ;最大抽芯高度18ｍ;抽芯工作臺(tái)展開長(zhǎng)度8ｍ;抽芯工作臺(tái)最大寬度2ｍ,車體最大寬度2.5ｍ。它利用液壓缸作用力大和機(jī)械裝置速度快的特點(diǎn),在抽取或送回管束時(shí)可滿足最大抽拉力和快速的需要。
2.2 結(jié)構(gòu)與工作原理
圖1為換熱器抽芯高空作業(yè)車的示意圖。雙點(diǎn)劃線為非工作狀態(tài),實(shí)線為工作狀態(tài)。抽芯工作臺(tái)在抽芯框架的下面,與框架一起沿塔段上下移動(dòng),避免了使用吊車配合的弊端。抽芯工作臺(tái)的長(zhǎng)度方向是在圖1垂直紙面的方向,在此方向,工作臺(tái)分成3個(gè)部分,中間部分不動(dòng),兩邊部分用液壓缸折疊,避開了抽芯機(jī)很長(zhǎng)的缺點(diǎn)。
抽芯工作臺(tái)操作時(shí)的示意圖見圖2,先將抽芯工作臺(tái)沿主體塔段滑道拉至與塔臺(tái)換熱器相當(dāng)?shù)奈恢?由橫向運(yùn)動(dòng)絲杠進(jìn)行工作臺(tái)的對(duì)中微調(diào),放下兩邊折疊部分,利用工作臺(tái)前端的兩個(gè)縱向液壓缸調(diào)整工作臺(tái)與管束平行方向的位移,同時(shí)活塞桿上安裝的半月板與不同直徑的換熱器殼體法蘭相固連這些完成以后,就可以進(jìn)行抽芯工作了。
抽芯時(shí),由液壓馬達(dá)帶動(dòng)卷?yè)P(yáng)拖動(dòng)工作臺(tái)快速接近換熱器,因抽芯的初拉力較大,所以初始階段由主液壓缸抽出管束,當(dāng)管束被抽出1ｍ左右時(shí),切換為卷?yè)P(yáng)快速抽出,抽出適當(dāng)?shù)木嚯x之后依次套上兩根纜索勒住管束,繼續(xù)抽出直至管束脫離殼體,工作臺(tái)將管束放到地面,完成抽芯工作。送回管束的動(dòng)作與上述相反。抽芯操作時(shí),塔段和抽芯框架不動(dòng),工人操作省力,安全性好。
3 抽芯工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)包括抽芯工作臺(tái)縱梁設(shè)計(jì)、液壓傳動(dòng)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、微調(diào)機(jī)構(gòu)和其它零部件設(shè)計(jì)[5-8]。
3.1 抽芯工作臺(tái)縱梁設(shè)計(jì)
3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工作臺(tái)的主體為兩根縱梁,材料選熱軋工字鋼Ｑ235Ａ、型號(hào)14,每根縱梁長(zhǎng)為8ｍ,它們通過燕尾形導(dǎo)軌裝在抽芯框架上。
3.1.2 力學(xué)計(jì)算 因兩根縱梁對(duì)稱于縱向中心線,所以將它們看成一個(gè)梁,計(jì)算得到的應(yīng)力除以2即可。在抽芯的過程中,每一時(shí)刻梁的受力情況都是不一樣的,對(duì)整個(gè)梁的受力進(jìn)行分析,管束全部抽出且對(duì)稱于縱梁的中心,縱梁與換熱器殼體脫離接觸時(shí)的應(yīng)力為最大。通過求取支反力、畫彎矩圖、確定最大彎矩、查取材料的幾何特性等一系列常規(guī)步驟,求出危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力。所不同之處在于確定梁的許用應(yīng)力時(shí),采用了二級(jí)模糊綜合評(píng)判方法確定安全系數(shù),步驟如下。
1)建立因素集 影響安全系數(shù)取值的主要模糊因素有設(shè)計(jì)水平ｕ1、制造水平ｕ2、材質(zhì)好壞ｕ3、使用條件ｕ4、重要程度ｕ5、制造成本ｕ6和可靠性程度ｕ7,因素集為Ｕ={ｕ1,ｕ2,ｕ3,ｕ4,ｕ5,ｕ6,ｕ7}。
2)劃分各因素等級(jí)及確定各因素等級(jí)的隸屬度 每一因素可按性質(zhì)和程度分為5級(jí),然后確定各因素等級(jí)的隸屬度為0～0.5。各因素的等級(jí)劃分和隸屬度(歸一化值)見表1。
3)建立備擇集設(shè)安全系數(shù)的取值區(qū)間為[1.2,2.0],按步長(zhǎng)0.1將此連續(xù)區(qū)間離散后得備擇集ｎ={1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0}。4)進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)判 采用各因素通用的同一等級(jí)評(píng)定隸屬度作為行矩陣:
將表1中所列各因素的隸屬度的值看作各因素各等級(jí)的權(quán)數(shù)ｗｉｊ,于是得到第ｉ個(gè)因素Ｗｉ=(ｗｉ1,ｗｉ2,…,ｗｉ5)�。�=1,2,…,7(1) 對(duì)第ｉ個(gè)因素各個(gè)等級(jí)的模糊子集進(jìn)行綜合評(píng)判,得1級(jí)模糊綜合評(píng)判集Ａｉ=Ｗｉ·Ｒｉ,分別將ｉ=1,2,…,7代入,并代入ｗｉ1和Ｒｉ的數(shù)值,計(jì)算得1級(jí)模糊綜合評(píng)判矩陣Ａ為:
表1 各因素的等級(jí)劃分及隸屬度
5)進(jìn)行2級(jí)模糊綜合評(píng)判 近似認(rèn)為各因素的重要程度無明顯差異,則權(quán)重集Ｊ=(1/7,1/7,1/7,1/7,1/7,1/7,1/7),對(duì)各因素綜合評(píng)判后得2級(jí)模糊評(píng)判集為Ｂ=Ｊ·Ａ=(0.35,0.46,0.56,0.64,0.68,0.69,0.65,0.57,0.45)。
6)安全系數(shù)的確定 采用加權(quán)平均法,即取以ｂｋ(ｋ=1,2,…,ｐ)為權(quán)數(shù),ｎｋ(ｋ=1,2,…,ｐ)的加權(quán)平價(jià)值為安全系數(shù)ｎ的取值為:ｎ=( ｐｋ=1ｂｋｎｋ)/ ｐｋ=1ｂｋ(2)計(jì)算得ｎ=1.62,按備擇集數(shù)據(jù)取ｎ=1.6。經(jīng)過力學(xué)計(jì)算,縱梁剖面的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力,彎曲強(qiáng)度得到滿足。
3.2 其它設(shè)計(jì)
液壓傳動(dòng)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括液壓缸和液壓馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算、減速裝置設(shè)計(jì)等,微調(diào)機(jī)構(gòu)和其它零部件設(shè)計(jì)包括橫向?qū)χ形⒄{(diào)運(yùn)動(dòng)絲杠設(shè)計(jì)、燕尾槽和半月板設(shè)計(jì)、鋼絲繩和銷釘?shù)倪x擇與校核等。由于篇幅所限,擬另文介紹它們的設(shè)計(jì)計(jì)算,這里不再說明。
參 考 文 獻(xiàn)
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[2]趙恒華.新型換熱器抽芯機(jī)主體金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[Ｊ].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),1999,12
(3):63-66.[3]蘭州石油機(jī)械研究所.換熱器[Ｍ].中冊(cè).北京:烴出版社,1988.
[4]趙恒華,趙廣杰,張燕.現(xiàn)代換熱器抽芯設(shè)備的研制[Ｊ].撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(4):31-34.
[5]范欽珊.材料力學(xué)[Ｍ].北京:清化大學(xué)出版社,2005.
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[7]陳良玉.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[Ｍ].沈陽:東北大學(xué)出版社,2000.[8]黃洪鐘.模糊設(shè)計(jì)[Ｍ].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.
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