基于SolidWorks軟件設計非對稱管箱吊耳的位置

□ 王 玉

沈陽匯博熱能設備有限公司 沈陽 110168

1 研究背景

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

熱交換器是一種重要的工藝設備,管殼式熱交換器[10]是此類設備中應用最為普遍的。管箱承擔熱交換器管程介質進出的功能。為了控制管程流速處于合理范圍內,常將管程數設置為1、2、4、6、8、10、12等七種形式。管箱主要由設備法蘭、短節、封頭、分程隔板、接管、管法蘭等構成,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。工程中多憑經驗確定吊耳的位置,誤差很大。

2 存在的問題

由于工程設計多以臥式安放為主,因此管箱吊裝時,最理想的狀況是設備法蘭密封面方向為鉛垂面方向,此時安裝有利于螺栓預緊力均勻分布。如果吊耳沒有處于質心截面,而是出現偏置,那么此時配合的密封面相互是不平行的,螺孔不同軸,螺栓預緊力可能分布不均,會導致泄漏,甚至出現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,管箱的質心一側會突然向另一側偏轉。

3 管箱結構

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,設計內壓為6.3 MPa,設計溫度為100 ℃,由設備法蘭、短節、橢圓封頭構成半封閉結構,內部裝有分程隔板,短節上方和下方各裝有接管和管法蘭。零件的材質包括Q345R板、16Mn鍛件和Q235B板,密度基本一致。構成管箱的各零件通過焊接連接。

圖1 四管程管箱

4 管箱質心位置分析

針對該四管程管箱的結構特點,對質心的位置進行定性分析。軸向(X向)不對稱,由于設備法蘭質量相對較大,質心靠近于設備法蘭一側。上下(Y向)對稱,質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,質心位于中心鉛垂面右側。

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、拉伸、切除等功能,實現立體圖形的繪制。

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

(2) 以X軸為旋轉軸旋轉上述草繪圖形,得到管箱的基本結構。

(3) 在YZ平面草繪分程隔板Ⅰ、分程隔板Ⅱ和設備法蘭螺栓孔圖形,通過拉伸、切除功能,完成相應結構造型。

(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,切除多余的接管旋轉體。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 管箱質心位置確定

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

表1 管箱具體數據

圖3 管箱質心位置

7 吊耳位置確定

根據得到的四管程管箱質心坐標數據,確定精確的吊耳位置,如圖4所示。需要注意的是,因質心鉛垂面有偏置,會導致左右吊耳尺寸不同。

圖4 安裝吊耳后四管程管箱

8 結束語

筆者所述設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,只需將吊耳與短節配合的圓弧面改為平面,沿與Z向平行且通過質心的水平軸各旋轉90°即可。也可推廣至其它需要精確確定吊耳位置的機械構件和整機,包括由不同密度材料零件組合的機械構件和整機。