罐車防波板受力分析和優化設計

毛民·阿斯哈爾，萬林青，任國棟

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

1 防波板的作用和使用情況

罐車防波板是罐車在緊急制動時，減小罐體內介質劇烈運動，避免介質對罐體的撞擊，保障罐車平穩運行的作用。防波板設置的一般要求是，每個防波板的有效面積應大于罐體橫斷面積的40%，防波板的安裝位置，應使上部弓形面積小于罐體橫斷面積的20%。防波板與罐體的連接應采用牢固的結構，防止產生裂紋和脫落。每個防波板容積一般不大于3 m3。《汽車罐車安全技術監察規程》對防波板作了以上規定，但是以上條款和理論計算的結果有出入，這幾項條款誤導了防波板的設計，所以罐車防波板在使用過程中損壞比較普遍。

2 防波板的結構和一般的連接方法

防波板的連接方法包括螺栓連接和焊接兩大類。兩種方法各有優劣：如果焊接質量好，受力均勻，可以減小應力集中，但是對材料要求高，對焊接質量要求高，產生裂紋的時候容易延伸到筒體，對罐車的安全運行不利；螺栓連接可以起到部分緩沖作用，可以減小應力水平，但是容易引起應力集中，螺栓容易滑牙，容易產生裂紋和脫落。

3 防波板經常損壞的部位及原因分析

通過本單位對幾千輛罐車的內部檢驗，以及以下圖片中典型的破壞形式，我們可以發現角鋼或者加強筋與罐體的焊接部位、防波板與角鋼的連接部位、螺栓連接部位、突變部位、對流孔部位和對流孔邊緣部位是最容易損害的部位。損壞的原因大概可以分為以下幾種：結構不合理，選材不正確，焊接質量及制造質量不好，螺栓強度不夠，板厚太薄，防波板間距過大，布置不合理等，見圖1~4所示。

圖1：選擇的焊接結構不正確，焊接質量也不好，強度不夠。防波板應該焊在加強圈的另外一側，這樣在制動的時候焊接部位受力較小。圖2：板厚太薄，倉容太大，造成防波板強度不夠，過度變形。圖3：選材不正確，韌性不足，導致斷裂。圖4：結構不合理，沒有圓滑過渡，引起應力集中，造成開裂。

圖1 選擇焊接結構不正確

圖2 板厚太薄造成過度變形

圖3 選材不正確導致斷裂

圖4 結構不合理造成開裂

4 受力情況及其對運算結果的分析

為了找出防波板損害的原因，就要計算防波板的受力情況。通過計算發現，應力水平和防波板材料的彈性模量，防波板厚度，罐體的半徑，介質的密度，防波板間距，緊急制動時的加速度，對流孔的形狀、部位、尺寸等存在有關系[1]。具體的計算過程如下：

為了簡化運算，假設防波板是由無數小鋼帶緊密排列的，相互之間沒有力的傳遞。建立如下模型：鋼帶長度為2Rsinα（R 為罐車的罐體半徑，α為鋼帶兩端點與與罐體中心線夾角的一半），鋼帶厚度為θ，高度為dh（圖5、圖7），防波板間的距離為l（圖8），罐車緊急制動時的最大加速度為a,液體密度ρ，γ為鋼帶變形后與不變形時的夾角（見圖6），Δl為罐體彎曲時的伸長量，G為板材的彈性模量[2]。根據牛頓定律，罐車在緊急制動時鋼帶受到的最大沖擊力F沖為：

根據力的平衡原理，鋼帶和罐體連接部位的力F連為：

式中：γ很小，所以sinγ 約等于γ-γ3/3！，α 取90°，進一步簡化后為

圖5 罐車的截面圖

圖6 防波條變形與不變形的示意圖

圖7 防波條示意圖

圖8 防波條后面介質形狀

根據以上計算結果可以看出，應力和各個量之間的關系。由于介質密度只與所運輸的物料種類有關；緊急制動時候罐車最大加速度只與路面的滑動摩擦系數有關；都是定值，無法改變，所以要減小應力水平可以從下面幾個方面入手：減小板材彈性模量、罐體半徑和倉容，增加防波板的厚度。但是增加防波板厚度與減小倉容都會增加制造成本，增加罐車負荷，也會減小運送物料的重量；減小半徑更會使運輸量大大減小；所以比較容易改變的只有彈性模量參數。通過減小板材彈性模量會得到減小應力的效果，因為板材的彈性模量是板材的固有性質，它只和板材的種類有關系，所以要想設計出持久耐用的防波板選材很重要，材料選擇正確，應力水平就會大大減小，損壞的可能性也就會大大降低。選材的關鍵是要韌性好，抗疲勞，高延伸率，較小的彈性模量。根據以上要求，可以選擇優質低碳鋼，如20＃、20R等。當然如果能在防波板上面布置若干個波節，防波板的“當量彈性模量”就會大大減小，應力水平就會降低。因為應力的減小，防波板的壽命肯定會提高，對防波板所用材料也可以降低要求。防波板的“當量彈性模量”的減小等于增加了韌性和延伸率，提高了防波板的儲能水平，罐體內的物料晃動程度會降低，對罐車的平穩運行有利。

5 優化設計指導方案

5.1 選材

選材的關鍵就是韌性好，抗疲勞，高延伸率，較小的彈性模量。根據以上要求，可以選擇優質低碳鋼，如20＃、20R等。如果盛裝的是特殊介質，如臨氫介質或者強酸強堿的情況，就必須考慮到氫脆和腐蝕，保證材料與介質的相容性。

5.2 制造

嚴格制造工藝：形狀突變部位圓滑過渡，清除防波板邊緣的毛刺、飛濺等物；嚴格焊接工藝：保障滿焊，不允許采取點焊的方式，通過無損檢測技術消除焊接缺陷。

5.3 結構

盡量避免造成應力集中的機構，在無法避免的情況下，通過改變形狀盡量減小應力集中，比如，改圓形對流孔為橢圓型，橢圓長軸應水平放置。因為所有的罐車都不能充滿，所以改防波板水平放置為豎直放置。在防波板上增加波節結構：改整張防波板為多張平行防波條，從邊沿到中心逐步增加板厚，或者中心的防波條用波紋結構，或者改用更好的材料。合理選擇防波板對流孔的部位，形狀，和尺寸。控制各處曲率半徑不宜過小。

6 思考和建議

根據以上運算結果可以看出，連接處的應力與多個量有關系，而《汽車罐車安全技術監察規程》在規定防波板的間距時僅僅用倉容加以限制，顯然不夠科學。用罐體直徑與介質密度的乘積除以防波板厚度控制防波板間距才比較合理；如果覺得計算復雜，加上防波板板厚變化不大的原因，至少應考慮密度的因素；至于防波板的面積和上部弓形區域的面積占橫截面的比例，應考慮介質粘度的影響。用防波板面積和罐體截面積的比值與粘度系數的乘積作為限制防波板面積的依據比較合理。

[1] 姚建明,薛江蓉. 大學物理[M].北京：北京理工大學出版社.2008.

[2] 單輝祖.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1999.