□ 王 玉

沈陽匯博熱能設(shè)備有限公司 沈陽 110168

1 研究背景

質(zhì)心精確位置的確定是裝備研究的一項重要內(nèi)容,特別是對國防軍事[1-2]、航空航天[3-4]、車輛工程[5-6]等領(lǐng)域而言。質(zhì)心的精確位置主要通過測量[7-8]和虛擬樣機技術(shù)[9]獲得。隨著設(shè)計的精細(xì)化,許多傳統(tǒng)機械裝備也需要獲得質(zhì)心的確切位置。

熱交換器是一種重要的工藝設(shè)備,管殼式熱交換器[10]是此類設(shè)備中應(yīng)用最為普遍的。管箱承擔(dān)熱交換器管程介質(zhì)進出的功能。為了控制管程流速處于合理范圍內(nèi),常將管程數(shù)設(shè)置為1、2、4、6、8、10、12等七種形式。管箱主要由設(shè)備法蘭、短節(jié)、封頭、分程隔板、接管、管法蘭等構(gòu)成,存在軸向不對稱、上下不對稱或左右不對稱的問題。因此,要精確確定吊耳的位置十分困難。工程中多憑經(jīng)驗確定吊耳的位置,誤差很大。

2 存在的問題

由于工程設(shè)計多以臥式安放為主,因此管箱吊裝時,最理想的狀況是設(shè)備法蘭密封面方向為鉛垂面方向,此時安裝有利于螺栓預(yù)緊力均勻分布。如果吊耳沒有處于質(zhì)心截面,而是出現(xiàn)偏置,那么此時配合的密封面相互是不平行的,螺孔不同軸,螺栓預(yù)緊力可能分布不均,會導(dǎo)致泄漏,甚至出現(xiàn)配合的密封面損傷和人身傷害事故,尤其是在拆卸吊裝封頭時,管箱的質(zhì)心一側(cè)會突然向另一側(cè)偏轉(zhuǎn)。

3 管箱結(jié)構(gòu)

圖1所示為典型的管殼式熱交換器四管程管箱,公稱通徑為800 mm,設(shè)計內(nèi)壓為6.3 MPa,設(shè)計溫度為100 ℃,由設(shè)備法蘭、短節(jié)、橢圓封頭構(gòu)成半封閉結(jié)構(gòu),內(nèi)部裝有分程隔板,短節(jié)上方和下方各裝有接管和管法蘭。零件的材質(zhì)包括Q345R板、16Mn鍛件和Q235B板,密度基本一致。構(gòu)成管箱的各零件通過焊接連接。

圖1 四管程管箱

4 管箱質(zhì)心位置分析

針對該四管程管箱的結(jié)構(gòu)特點,對質(zhì)心的位置進行定性分析。軸向(X向)不對稱,由于設(shè)備法蘭質(zhì)量相對較大,質(zhì)心靠近于設(shè)備法蘭一側(cè)。上下(Y向)對稱,質(zhì)心位于通過軸心的水平面上。左右(Z向)不對稱,由于接管、管法蘭、分程隔板Ⅱ的影響,質(zhì)心位于中心鉛垂面右側(cè)。

5 SolidWorks軟件三維建模

SolidWorks是較通用的三維建模繪圖軟件,一般通過草繪、旋轉(zhuǎn)、拉伸、切除等功能,實現(xiàn)立體圖形的繪制。

按圖1所示二維四管程管箱,利用SolidWorks軟件繪制三維立體圖。

(1) 以設(shè)備法蘭密封面中心為坐標(biāo)原點,以管箱軸線為對稱軸,在XY平面分別草繪設(shè)備法蘭、短節(jié)、橢圓封頭截面圖形。

(2) 以X軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)上述草繪圖形,得到管箱的基本結(jié)構(gòu)。

(3) 在YZ平面草繪分程隔板Ⅰ、分程隔板Ⅱ和設(shè)備法蘭螺栓孔圖形,通過拉伸、切除功能,完成相應(yīng)結(jié)構(gòu)造型。

(4) 新建一個平行于XY平面的平面,距XY平面200 mm,Z軸為正方向,新坐標(biāo)原點為x=400 mm,y=629 mm,z=200 mm。在該平面上草繪管法蘭和接管截面,并沿中心軸旋轉(zhuǎn),切除多余的接管旋轉(zhuǎn)體。在管法蘭密封面上草繪管法蘭螺孔,并切除管法蘭上的螺孔。

(5) 鏡像新建成的上方接管和管法蘭,形成下方接管和管法蘭。

為簡化繪制流程,筆者沒有繪制對質(zhì)心位置影響不大的焊接接頭。完成后的四管程管箱立體造型如圖2所示。

圖2 四管程管箱立體造型

6 管箱質(zhì)心位置確定

為各部件配置材料。如前所述,各構(gòu)成材料密度相近,均可按普通碳鋼選取。在評估、質(zhì)量屬性菜單下,可以得到管箱的密度、質(zhì)量、體積、表面積、質(zhì)心等數(shù)據(jù)。管箱具體數(shù)據(jù)見表1。主視圖和左視圖中的質(zhì)心位置如圖3所示。

表1 管箱具體數(shù)據(jù)

圖3 管箱質(zhì)心位置

7 吊耳位置確定

根據(jù)得到的四管程管箱質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù),確定精確的吊耳位置,如圖4所示。需要注意的是,因質(zhì)心鉛垂面有偏置,會導(dǎo)致左右吊耳尺寸不同。

圖4 安裝吊耳后四管程管箱

8 結(jié)束語

筆者所述設(shè)計方法同樣適用于立式安裝的管殼式熱交換器管箱。以臥式為基準(zhǔn),只需將吊耳與短節(jié)配合的圓弧面改為平面,沿與Z向平行且通過質(zhì)心的水平軸各旋轉(zhuǎn)90°即可。也可推廣至其它需要精確確定吊耳位置的機械構(gòu)件和整機,包括由不同密度材料零件組合的機械構(gòu)件和整機。