换热器抽芯高空作业车抽芯工作台设计

孙春一

(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001)

　　摘要：提出了换热器抽芯高空作业车抽芯工作台的设计方案。论述了抽芯工作台的结构与工作原理,主要介绍了纵梁结构设计和力学计算,其中安全系数采用二级模糊综合评判方法来确定。该设计使换热器抽芯高空作业车集起重、抽芯、行走三大功能于一体,实现了抽芯设备整机一体化,改变了依赖吊车配合作业的落后局面。

　　关键词：换热器;　抽芯;　工作台;　设计中图分类号:ＴＱ05　　　　文献标识码:Ａ

        为了实现换热器检修效率大幅度提高,增加检修工作自动化和文明生产的程度,我们设计了换热器抽芯高空作业车。它实现了行车式换热器抽芯机的方案,将抽芯设备与汽车底盘有机结合成一体,不但能自动升降抽芯,而且可在各装置之间或炼油厂之间行走,提高了设备的机动性能。作业车设计分为主体金属结构设计[1-2]和抽芯工作台设计两部分,这里主要介绍抽芯工作台设计。

        1　现用抽芯机主要不足

        目前,各炼油厂或化工厂一般采用半机械化装置[3-4],如框架式螺旋增力抽芯机、框架式卷扬抽芯机等。抽芯时,吊车吊起抽芯机至空中,周向对准换热器管束后,抽芯机的一端刚性固定在塔台换热器壳体上,用钢丝绳套在管束的管板上,钢丝绳另一端套在移动螺母上,开动电动机后丝杠周向移动或卷扬机构工作,产生拉力将管束从壳体中抽出,抽出管束后,抽芯机连同管束被吊车放到地面。上述抽芯机构虽在一定程度上提高了检修的自动化程度,但仍存在大量缺陷。首先,抽芯机不能独立工作,必须依靠大型吊车配合才能完成抽芯作业;第二,抽芯机长9ｍ,无论是运输还是操作都不方便;第三,抽芯机连同管束在空中摇摆度很大,工人作业十分困难,安全性较差;第四,抽芯过程中需2次停机,人工移动钢丝绳的位置,抽芯时间长,占用工时比例大,自动化程度还是太低。

        2新型抽芯工作台工作原理

        2.1　技术性能

        抽芯工作台为液压形式与机械形式相结合,最大抽芯规格?1200ｍｍ×6000ｍｍ;最大起重量为10000ｋｇ;最大抽芯高度18ｍ;抽芯工作台展开长度8ｍ;抽芯工作台最大宽度2ｍ,车体最大宽度2.5ｍ。它利用液压缸作用力大和机械装置速度快的特点,在抽取或送回管束时可满足最大抽拉力和快速的需要。

        2.2　结构与工作原理

        图1为换热器抽芯高空作业车的示意图。双点划线为非工作状态,实线为工作状态。抽芯工作台在抽芯框架的下面,与框架一起沿塔段上下移动,避免了使用吊车配合的弊端。抽芯工作台的长度方向是在图1垂直纸面的方向,在此方向,工作台分成3个部分,中间部分不动,两边部分用液压缸折叠,避开了抽芯机很长的缺点。

      

         抽芯工作台操作时的示意图见图2,先将抽芯工作台沿主体塔段滑道拉至与塔台换热器相当的位置,由横向运动丝杠进行工作台的对中微调,放下两边折叠部分,利用工作台前端的两个纵向液压缸调整工作台与管束平行方向的位移,同时活塞杆上安装的半月板与不同直径的换热器壳体法兰相固连这些完成以后,就可以进行抽芯工作了。

      

         抽芯时,由液压马达带动卷扬拖动工作台快速接近换热器,因抽芯的初拉力较大,所以初始阶段由主液压缸抽出管束,当管束被抽出1ｍ左右时,切换为卷扬快速抽出,抽出适当的距离之后依次套上两根缆索勒住管束,继续抽出直至管束脱离壳体,工作台将管束放到地面,完成抽芯工作。送回管束的动作与上述相反。抽芯操作时,塔段和抽芯框架不动,工人操作省力,安全性好。

        3　抽芯工作台结构设计

        设计包括抽芯工作台纵梁设计、液压传动与传动机构设计、微调机构和其它零部件设计[5-8]。

        3.1　抽芯工作台纵梁设计

        3.1.1　结构设计　工作台的主体为两根纵梁,材料选热轧工字钢Ｑ235Ａ、型号14,每根纵梁长为8ｍ,它们通过燕尾形导轨装在抽芯框架上。

        3.1.2　力学计算　因两根纵梁对称于纵向中心线,所以将它们看成一个梁,计算得到的应力除以2即可。在抽芯的过程中,每一时刻梁的受力情况都是不一样的,对整个梁的受力进行分析,管束全部抽出且对称于纵梁的中心,纵梁与换热器壳体脱离接触时的应力为最大。通过求取支反力、画弯矩图、确定最大弯矩、查取材料的几何特性等一系列常规步骤,求出危险截面的最大应力。所不同之处在于确定梁的许用应力时,采用了二级模糊综合评判方法确定安全系数,步骤如下。

        1)建立因素集　影响安全系数取值的主要模糊因素有设计水平ｕ1、制造水平ｕ2、材质好坏ｕ3、使用条件ｕ4、重要程度ｕ5、制造成本ｕ6和可靠性程度ｕ7,因素集为Ｕ={ｕ1,ｕ2,ｕ3,ｕ4,ｕ5,ｕ6,ｕ7}。

        2)划分各因素等级及确定各因素等级的隶属度　每一因素可按性质和程度分为5级,然后确定各因素等级的隶属度为0～0.5。各因素的等级划分和隶属度(归一化值)见表1。

        3)建立备择集设安全系数的取值区间为[1.2,2.0],按步长0.1将此连续区间离散后得备择集ｎ={1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0}。4)进行一级模糊综合评判　采用各因素通用的同一等级评定隶属度作为行矩阵:

   

        将表1中所列各因素的隶属度的值看作各因素各等级的权数ｗｉｊ,于是得到第ｉ个因素Ｗｉ=(ｗｉ1,ｗｉ2,…,ｗｉ5)　ｉ=1,2,…,7(1)　　对第ｉ个因素各个等级的模糊子集进行综合评判,得1级模糊综合评判集Ａｉ=Ｗｉ·Ｒｉ,分别将ｉ=1,2,…,7代入,并代入ｗｉ1和Ｒｉ的数值,计算得1级模糊综合评判矩阵Ａ为:



                         表1　各因素的等级划分及隶属度

      

      

          5)进行2级模糊综合评判　近似认为各因素的重要程度无明显差异,则权重集Ｊ=(1/7,1/7,1/7,1/7,1/7,1/7,1/7),对各因素综合评判后得2级模糊评判集为Ｂ=Ｊ·Ａ=(0.35,0.46,0.56,0.64,0.68,0.69,0.65,0.57,0.45)。

         6)安全系数的确定　采用加权平均法,即取以ｂｋ(ｋ=1,2,…,ｐ)为权数,ｎｋ(ｋ=1,2,…,ｐ)的加权平价值为安全系数ｎ的取值为:ｎ=( ｐｋ=1ｂｋｎｋ)/ ｐｋ=1ｂｋ(2)计算得ｎ=1.62,按备择集数据取ｎ=1.6。经过力学计算,纵梁剖面的最大应力小于许用应力,弯曲强度得到满足。

        3.2　其它设计

        液压传动与传动机构设计包括液压缸和液压马达的参数计算、减速装置设计等,微调机构和其它零部件设计包括横向对中微调运动丝杠设计、燕尾槽和半月板设计、钢丝绳和销钉的选择与校核等。由于篇幅所限,拟另文介绍它们的设计计算,这里不再说明。

        参　考　文　献

        [1]赵恒华,王墅.高空抽芯作业车设计[Ｊ].石油化工设备,2002,31(1):33-35.

        [2]赵恒华.新型换热器抽芯机主体金属结构设计[Ｊ].石油化工高等学校学报,1999,12

        (3):63-66.[3]兰州石油机械研究所.换热器[Ｍ].中册.北京:烃出版社,1988.

        [4]赵恒华,赵广杰,张燕.现代换热器抽芯设备的研制[Ｊ].抚顺石油学院学报,2003,23(4):31-34.

        [5]范钦珊.材料力学[Ｍ].北京:清化大学出版社,2005.

        [6]蔡春源.机电液设计手册[Ｍ].北京:机械工业出版社,1997.

        [7]陈良玉.机械设计基础[Ｍ].沈阳:东北大学出版社,2000.[8]黄洪钟.模糊设计[Ｍ].北京:机械工业出版社,1999.