瓦楞板型潤滑油油箱的剛度分析

金 楠，李慧峰

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110869）

0 引言

由于煉油、化工行業的規模與生產能力的擴大，使得離心壓縮機、汽輪機、電機以及變速箱等設備的外形、轉速與功率不斷提高。這些大體積、高轉速、大功率的設備在運行過程中，設備的軸承及齒輪等部件的溫度會迅速升高，并造成一定程度的磨損。需要大量的潤滑油對其進行冷卻和潤滑，導致潤滑油箱體積所有增加。當油箱的體積增加后，油箱壁板所承受的潤滑油重力和液體靜壓力也隨之提升。油箱具有自重較大，生產周期長、整體成本高等缺點。提升油箱的剛度，防止油箱變形成為油箱設計人員所關注的重點問題。與普通的鋼板相比，等同厚度的瓦楞板在具有高剛度同時也具有更好的截面特性。因此，將瓦楞板作為大體積潤滑油油箱的壁板不僅會降低油箱的重量，同時也會有效避免因焊接筋板而導致的焊接變形及應力集中等問題。

1 油箱剛度分析模型

瓦楞板是經過輥壓冷彎后具有一定波紋形狀的鋼板，受加工設備與制作工藝影響，瓦楞板的波紋形狀具有多樣性的特點。瓦楞板的剛度由壁板厚度、波紋數量、波紋高度、波紋寬度以及波紋傾斜角等參數共同決定，為方便對比某一參數對于剛度影響的大小，將油箱分析模型簡化為長9000 mm、寬3000 mm，高2500 mm 的矩形容器，瓦楞板厚度8 mm，波紋尺寸如圖1 所示。

圖1 瓦楞板結構尺寸

當油箱處于滿油狀態時，油箱壁板僅受到潤滑油所施加的靜壓力，因此油箱四周壁板的受力狀態可視為完全相同，故選取分析模型中油箱寬度為3000 mm 的壁板進行受力分析。根據液體壓強公式（1）可以計算出壁板底層與頂層所承受的靜壓力。

式中 ρ——潤滑油密度，kg/m3

g——重力加速度，9.8 m/s2

h——液面高度，m

根據GB/T 1884—2000 規定的方法對46#透平油的密度進行測量，20 ℃時的密度為871 kg/m3。由此可以計算滿油狀態時壁板底層和頂層所承受的靜壓力分別為0.021 339 5 MPa 和0 MPa。

使用ANSYS 建模后，使用SOLID187 單元類型進行網格劃分，網格尺寸為20 mm。油箱壁板材料為S30408，密度為7850 kg/m3，彈性模量取200 GPa，泊松比為0.3[1]。壁板底層和頂層按線性變化施加靜液柱壓力，并在油箱壁板的上、下、左、右四面施加固定約束[2]。壁板受力情況如圖2 所示，其變形量及等效應力圖如圖3 所示。

圖2 壁板受力情況

由圖3 可知，壁板中部兩波紋之間的區域變形量最大，而應力最大區域位于壁板波紋的底部，最大變形量及最大應力值分別為8.53 mm 和333.6 MPa。為進一步分析瓦楞板規格對油箱剛度的影響，在使用相同的邊界條件下分別取波紋數量、波紋高度、波紋寬度以及波紋傾斜角等參數作為單一變量進行分析。

圖3 變形量及等效應力圖

2 瓦楞板規格對油箱剛度的影響

（1）波紋凸起的數量對于剛度的影響。在保證基礎模型外形尺寸及圖1 中波紋尺寸不變的前提下，分別將波紋數量增加至4個和5 個后進行分析，壁板變形量及等效應力圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 4 個和5 個波紋時變形量云圖

圖5 4 個和5 個波紋時等效應力云圖

由變形量云圖可知，當波紋數量分別增加至4個和5 個時，壁板最大變形量分別為7.18 mm 和5.99 mm，最大變形區域仍位于壁板中部。受波紋數量改變的影響，最大變形區域的形狀發生變化，但面積未發生明顯變化。由等效應力云圖可知，當波紋數量增加后，壁板最大應力區的位置并未發生變化，但最大應力值則分別降低至288.6 MPa 和245.9 MPa。當單位面積壁板中波紋數量增加后，雖然壁板的最大變形量和最大應力值均呈現出明顯降低的趨勢，但無法改變最大變形區域的面積，也無法改變最大應力區的分布位置。

（2）波紋凸起的高度對于剛度的影響。將基礎模型中波紋凸起的高度分別增加至50 mm 和70 mm 后進行分析，變形量及等效應力圖如圖6 和圖7 所示。

圖6 波紋高度為50 mm 和70 mm 時變形量云圖

圖7 波紋高度為50 mm 和70 mm 時等效應力云圖

由變形量云圖可知，當波紋高度增加至50 mm 和70 mm時壁板的最大變形量分別為4.17 mm 和2.38 mm。當波紋高度增加后，波紋間最大變形區域的形狀發生明顯變化，即在垂直方向的尺寸不斷增加，而在水平方向的尺寸則不斷減小，甚至完全斷開，但仍具有對稱性。由等效應力云圖可知，波紋高度增加后對應的最大應力值分別為210.98 MPa 和137.66 MPa，但壁板的應力集中部位并未發生變化。通過對比可知，增加波紋高度不僅能夠降低壁板的最大變形量和最大應力值，還能夠改變最大變形區域的分布和形狀，但無法改變壁板最大應力的集中區域。

（3）波紋寬度對于剛度的影響。分別將基礎模型中波紋寬度增加至54 mm 及72 mm，采用相同的邊界條件進行分析，變形量及等效應力云圖如圖8 和圖9 所示。

圖8 波紋寬度為54 mm 和72 mm 時變形量云圖

圖9 波紋寬度為54 mm 和72 mm 時等效應力云圖

由變形量云圖可知，當波紋寬度增加至54 mm 和72 mm 時壁板的最大變形區域的形狀及面積并未發生明顯的變化，但最大變形量由8.53 mm 分別降低至7.06 mm 和6.1 mm。由等效應力云圖可知，波紋寬度增加后壁板的最大應力值由333.6 MPa 降低至280.11 MPa 以及245.59 MPa，但未改變壁板的應力集中區域的分布。

（4）波紋角度對于剛度的影響。將基礎模型中波紋角度分別增加至22.5°和30°并采用相同的邊界條件進行有限元分析，變形量及等效應力云圖如圖10 和圖11 所示。

圖10 波紋寬度為22.5°和30°時變形量云圖

圖11 波紋寬度為22.5°和30°時等效應力云圖

由變形量云圖可知，當波紋角度變為22.5°和30°時后壁板的最大變形的區域、面積和形狀并未發生明顯變化，最大變形量分別由8.53 mm 降低至8.45 mm 和8.35 mm。由等效應力云圖可知，當波紋角度為22.5°時最大等效應力值由333.6 MPa 增加至335.76 MPa，當角度為30°時最大等效應力降低至333.64 MPa，而壁板的應力集中區域的分布位置并未發生變化。

通過以上分析結果可知，在降低壁板最大變形量與最大應力值等方面，增加波紋高度的效果最為明顯；增加波紋數量與增加波紋寬度的效果次之，且兩者降低的幅度幾乎相同，而增加波紋角度則無明顯變化。同時，增加波紋高度對于最大變形量區域形狀的影響最為顯著，其他3 種波紋形狀的改變方式則未對最大變形量區域的形狀變化產生影響。此外，4 種波紋形狀的改變僅對最大應力值產生影響，而不會改變最大應力區域的分布。

3 結束語

以某離心壓縮機潤滑油油箱為基礎模型，并分別對波紋數量、波紋高度、波紋寬度及波紋角度等4 種波紋形狀的壁板進行有限元分析，并對分析結果進行對比與總結，以便設計者能夠更為方便地選擇提升油箱壁板剛度的方式。但在選擇波紋形狀時還應充分考慮開孔與焊接問題，應盡量將開孔位置選擇在波紋之間的區域。