孫春一
(遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧撫順113001)
摘要：提出了換熱器抽芯高空作業(yè)車抽芯工作臺的設計方案。論述了抽芯工作臺的結構與工作原理,主要介紹了縱梁結構設計和力學計算,其中安全系數采用二級模糊綜合評判方法來確定。該設計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,實現了抽芯設備整機一體化,改變了依賴吊車配合作業(yè)的落后局面。
關鍵詞：換熱器; 抽芯; 工作臺; 設計中圖分類號:ＴＱ05 文獻標識碼:Ａ
為了實現換熱器檢修效率大幅度提高,增加檢修工作自動化和文明生產的程度,我們設計了換熱器抽芯高空作業(yè)車。它實現了行車式換熱器抽芯機的方案,將抽芯設備與汽車底盤有機結合成一體,不但能自動升降抽芯,而且可在各裝置之間或煉油廠之間行走,提高了設備的機動性能。作業(yè)車設計分為主體金屬結構設計[1-2]和抽芯工作臺設計兩部分,這里主要介紹抽芯工作臺設計。
1 現用抽芯機主要不足
目前,各煉油廠或化工廠一般采用半機械化裝置[3-4],如框架式螺旋增力抽芯機、框架式卷揚抽芯機等。抽芯時,吊車吊起抽芯機至空中,周向對準換熱器管束后,抽芯機的一端剛性固定在塔臺換熱器殼體上,用鋼絲繩套在管束的管板上,鋼絲繩另一端套在移動螺母上,開動電動機后絲杠周向移動或卷揚機構工作,產生拉力將管束從殼體中抽出,抽出管束后,抽芯機連同管束被吊車放到地面。上述抽芯機構雖在一定程度上提高了檢修的自動化程度,但仍存在大量缺陷。首先,抽芯機不能獨立工作,必須依靠大型吊車配合才能完成抽芯作業(yè);第二,抽芯機長9ｍ,無論是運輸還是操作都不方便;第三,抽芯機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,人工移動鋼絲繩的位置,抽芯時間長,占用工時比例大,自動化程度還是太低。
2新型抽芯工作臺工作原理
2.1 技術性能
抽芯工作臺為液壓形式與機械形式相結合,最大抽芯規(guī)格?1200ｍｍ×6000ｍｍ;最大起重量為10000ｋｇ;最大抽芯高度18ｍ;抽芯工作臺展開長度8ｍ;抽芯工作臺最大寬度2ｍ,車體最大寬度2.5ｍ。它利用液壓缸作用力大和機械裝置速度快的特點,在抽取或送回管束時可滿足最大抽拉力和快速的需要。
2.2 結構與工作原理
圖1為換熱器抽芯高空作業(yè)車的示意圖。雙點劃線為非工作狀態(tài),實線為工作狀態(tài)。抽芯工作臺在抽芯框架的下面,與框架一起沿塔段上下移動,避免了使用吊車配合的弊端。抽芯工作臺的長度方向是在圖1垂直紙面的方向,在此方向,工作臺分成3個部分,中間部分不動,兩邊部分用液壓缸折疊,避開了抽芯機很長的缺點。
抽芯工作臺操作時的示意圖見圖2,先將抽芯工作臺沿主體塔段滑道拉至與塔臺換熱器相當的位置,由橫向運動絲杠進行工作臺的對中微調,放下兩邊折疊部分,利用工作臺前端的兩個縱向液壓缸調整工作臺與管束平行方向的位移,同時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,就可以進行抽芯工作了。
抽芯時,由液壓馬達帶動卷揚拖動工作臺快速接近換熱器,因抽芯的初拉力較大,所以初始階段由主液壓缸抽出管束,當管束被抽出1ｍ左右時,切換為卷揚快速抽出,抽出適當的距離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,工作臺將管束放到地面,完成抽芯工作。送回管束的動作與上述相反。抽芯操作時,塔段和抽芯框架不動,工人操作省力,安全性好。
3 抽芯工作臺結構設計
設計包括抽芯工作臺縱梁設計、液壓傳動與傳動機構設計、微調機構和其它零部件設計[5-8]。
3.1 抽芯工作臺縱梁設計
3.1.1 結構設計 工作臺的主體為兩根縱梁,材料選熱軋工字鋼Ｑ235Ａ、型號14,每根縱梁長為8ｍ,它們通過燕尾形導軌裝在抽芯框架上。
3.1.2 力學計算 因兩根縱梁對稱于縱向中心線,所以將它們看成一個梁,計算得到的應力除以2即可。在抽芯的過程中,每一時刻梁的受力情況都是不一樣的,對整個梁的受力進行分析,管束全部抽出且對稱于縱梁的中心,縱梁與換熱器殼體脫離接觸時的應力為最大。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,求出危險截面的最大應力。所不同之處在于確定梁的許用應力時,采用了二級模糊綜合評判方法確定安全系數,步驟如下。
1)建立因素集 影響安全系數取值的主要模糊因素有設計水平ｕ1、制造水平ｕ2、材質好壞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)劃分各因素等級及確定各因素等級的隸屬度 每一因素可按性質和程度分為5級,然后確定各因素等級的隸屬度為0～0.5。各因素的等級劃分和隸屬度(歸一化值)見表1。
3)建立備擇集設安全系數的取值區(qū)間為[1.2,2.0],按步長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)進行一級模糊綜合評判 采用各因素通用的同一等級評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的權數ｗｉｊ,于是得到第ｉ個因素Ｗｉ=(ｗｉ1,ｗｉ2,…,ｗｉ5) ｉ=1,2,…,7(1) 對第ｉ個因素各個等級的模糊子集進行綜合評判,得1級模糊綜合評判集Ａｉ=Ｗｉ·Ｒｉ,分別將ｉ=1,2,…,7代入,并代入ｗｉ1和Ｒｉ的數值,計算得1級模糊綜合評判矩陣Ａ為:
表1 各因素的等級劃分及隸屬度
5)進行2級模糊綜合評判 近似認為各因素的重要程度無明顯差異,則權重集Ｊ=(1/7,1/7,1/7,1/7,1/7,1/7,1/7),對各因素綜合評判后得2級模糊評判集為Ｂ=Ｊ·Ａ=(0.35,0.46,0.56,0.64,0.68,0.69,0.65,0.57,0.45)。
6)安全系數的確定 采用加權平均法,即取以ｂｋ(ｋ=1,2,…,ｐ)為權數,ｎｋ(ｋ=1,2,…,ｐ)的加權平價值為安全系數ｎ的取值為:ｎ=( ｐｋ=1ｂｋｎｋ)/ ｐｋ=1ｂｋ(2)計算得ｎ=1.62,按備擇集數據�。�=1.6。經過力學計算,縱梁剖面的最大應力小于許用應力,彎曲強度得到滿足。
3.2 其它設計
液壓傳動與傳動機構設計包括液壓缸和液壓馬達的參數計算、減速裝置設計等,微調機構和其它零部件設計包括橫向對中微調運動絲杠設計、燕尾槽和半月板設計、鋼絲繩和銷釘的選擇與校核等。由于篇幅所限,擬另文介紹它們的設計計算,這里不再說明。
參 考 文 獻
[1]趙恒華,王墅.高空抽芯作業(yè)車設計[Ｊ].石油化工設備,2002,31(1):33-35.
[2]趙恒華.新型換熱器抽芯機主體金屬結構設計[Ｊ].石油化工高等學校學報,1999,12
(3):63-66.[3]蘭州石油機械研究所.換熱器[Ｍ].中冊.北京:烴出版社,1988.
[4]趙恒華,趙廣杰,張燕.現代換熱器抽芯設備的研制[Ｊ].撫順石油學院學報,2003,23(4):31-34.
[5]范欽珊.材料力學[Ｍ].北京:清化大學出版社,2005.
[6]蔡春源.機電液設計手冊[Ｍ].北京:機械工業(yè)出版社,1997.
[7]陳良玉.機械設計基礎[Ｍ].沈陽:東北大學出版社,2000.[8]黃洪鐘.模糊設計[Ｍ].北京:機械工業(yè)出版社,1999.
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