汤荣跃 谭 婧
(衢州市特种设备检验中心)
空气储罐的轻量化优化设计
汤荣跃*谭 婧
(衢州市特种设备检验中心)
根据空气储罐的结构特点和主要工艺参数,建立一种以函数表征的设计计算数学模型,并编写其轻量化设计软件,以达到制造材料消耗较少、制造成本较低的最佳设计效果。关键词 空气储罐 轻量化 设计软件 筒体 封头 容积 壁厚
衢州是全国目前最大的空气动力机械特色生产基地。据调查统计,衢州市空压机及钻凿机械产业年产值超过100亿元,空压机全国市场占有率达75%,空气动力装备生产规模和销售总量居全国之首。目前,该市专业配套生产空压机用空气储罐的压力容器制造单位共有12家。2014年,全市空气储罐产量达116 371台。
衢州虽然是空气储罐制造大市,但由于空气储罐并非空气动力机械的核心部件,因此一些企业往往对其重视不够。在上述12家空气储罐制造厂家中,仅3家公司拥有D1、D2级压力容器设计资质,各单位的设计制造能力普遍大而不精,大而不强,对空气储罐的设计制造普遍缺乏精细化管理的理念。在规模化、批量化的生产过程中,在如何减少材料消耗、降低生产成本这些方面有较大的提升空间。因此,指导企业在保障产品的本质安全、满足使用和制造工艺要求的前提下,对空气储罐的设计进行优化,寻求制造材料消耗较少、制造成本较低的设计方案,对促进空压机行业坚持走节能环保和可持续发展道路具有重要意义。
空气储罐结构较为简单,通常是由圆柱形筒体和椭圆封头组成,其设计计算一般只需考虑壳体强度、刚度及开孔部位强度的要求。设计压力、设计温度、容积是空气储罐主要工艺指标,空气储罐直径、高度和壳体厚度的改变对其使用功能没有任何影响。在主要工艺指标相同的条件下,其筒体直径、高度和厚度允许有不同的设计尺寸组合,不同组合的材料消耗和制造成本是各不相同的。对每一种规格的空气储罐而言,都存在着一种材料消耗量较小、设备制造成本较低的最佳设计方案。由于空气储罐价格低廉,损坏后一般不会修理而选择报废,不需要考虑封头等部件更换时的互换性。而大规模、批量化的生产,使采购定制尺寸的钢板、封头来制造GB/T 9019—2015《压力容器公称直径》以外的非标准尺寸空气储罐成为可能。据此原理,可将空气储罐内径作为设计变量,以满足容积、强度(包括开孔部位的强度校核)和刚度要求为目标,建立空气储罐的设计计算数学模型,然后编写计算程序,进行结构尺寸的最优化设计。
优化设计寻求的是材料消耗最少时空气储罐的直径和高度的设计方案。空气储罐壳体质量M(kg)包括筒体和两个椭圆封头的质量,其计算式为:
式中L——两个封头直边段与筒体长度之和,mm;
Di——筒体内径,mm;
ρ——钢材密度,取7 850 kg/m3;
δ1n——筒体的名义壁厚,mm;
δ2n——封头的名义壁厚,mm;
h——封头直边段高度;当Di≤2 000 mm时,h=25 mm;当Di>2 000 mm时,h=40 mm。
由式(1)可看出,壳体质量M(kg)主要取决于筒体内径和长度、筒体壁厚、封头壁厚等参数。这些参数应满足GB 150—2011《压力容器》、GB/T 25198—2010《压力容器封头》等标准规范的要求[1-2],其主要内容如下。
储罐容积V由筒节部分容积和两个椭圆封头容积组成,容积应满足工艺要求,其计算式为:
L=0 时, Di为最大值, Dimax=(12V/π)1/3×1 000。 考虑到空气储罐公路运输的限制,Di最大值还应满足 Dimax≤5 000 mm。
考虑到移动式空压机空气储罐直径的实际状况,取Di的最小值Dimin≥150 mm。
筒体壁厚应满足强度要求,筒体计算厚度为:
式中p——设计压力,MPa;
[σ]t——设计温度下材料许用应力,MPa;
φ——焊接接头系数。
考虑到材料采购的方便性,将δ1+C1+C2的值向上圆整为0.5的整数倍,得到筒体的名义厚度δ1n。其中,C1为钢板厚度负偏差,C2为腐蚀裕量。
封头壁厚应满足强度要求,封头计算厚度为:
将1.12(δ2+C1+C2)值(系数1.12为封头压制时的减薄系数)向上圆整为0.5的整数倍,得到封头的名义厚度δ2n。
壳体不包括腐蚀裕量的厚度应满足下述要求:
对于筒体,(δ1n-C1-C2)≥3 mm;
对于封头,(δ2n-C1-C2)≥3 mm;同 时 ,封头的有效厚度应满足(δ2n-C2-C1)≥0.15%Di。
耐压试验时筒体的薄膜应力应满足强度要求:
式中[σ]——压力试验温度下材料许用应力,MPa;
ρ水——水的密度,取1 000 kg/m3;
ReL——标准室温下材料的屈服强度,MPa。
该程序采用数值迭代方法,将一定步长的全部Di数据(一般取步长为10 mm,D1=150 mm,D2=160 mm, …… , Dimax, 取 Dimax=(12V/π)1/3×1 000,且Dimax≤5 000 mm)代入约束函数进行逐个计算,可得到满足约束函数的一系列不同直径、高度和壳体厚度的空气储罐计算结果,并将其按质量从小到大的顺序排序,然后以电子表格文档的形式输出。
最佳设计方案应使消耗材料较小,制造成本最低。空气储罐的质量是决定材料费用的主要因素,不同厚度、不同宽度的板材价格会有差异,这也会对空气储罐的材料费用产生影响。因此,设计人员通过轻量化优化设计软件的输出列表,根据现场安装尺寸对空气储罐高度的限制,综合考虑不同规格板材的价格,利用电子表格的数据筛选、组合排序功能,就可快速筛选出一个制造成本最低的方案。
同理,也可对空气储罐的接管及人孔的强度进行编程设计,得到接管及人孔的最小材料厚度。
根据上述优化计算数学模型,采用C++语言对空气储罐壁厚、质量等的设计计算过程进行编程,开发出轻量化优化设计软件。现以一台容积2 m3、设计压力0.84 MPa、材料Q345R的空气储罐为例,其轻量化优化设计软件的计算结果如图1所示。
图1容积2 m3、设计压力0.84 MPa的空气储罐计算结果
现在衢州市各制造厂该型号的空气储罐设计图样均采用Ø1 100 mm×2 288 mm、筒体壁厚4.5 mm、封头壁厚5 mm的规格设计,若根据优化结果对空气储罐直径和长度稍做调整,采用Ø1 200 mm×(4.5 mm/5 mm)×1 969 mm的方案,壳体质量将由314 kg降低为303 kg,每台空气储罐质量可以减少11 kg,节约材料3.5%。
“轻量化优化设计软件”是衢州市特种设备检验中心根据当地压力容器制造业的特点和需求开发的公益性科研项目,利用该软件能快速筛选出最经济合理且满足标准要求的设计方案。如果将衢州市生产的所有空气储罐进行优化设计,每年可节约钢材1 000 t以上,具有较好的经济效益和社会效益。
[1]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器:GB 150—2011[S].北京:中国标准出版社,2012.
[2]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器封头:GB/T 25198—2010[S].北京:中国标准出版社,2011.
Lightweight Optimization Design of Air Tank
Tang Rongyue Tan Jing
According to the structural characteristics and main process param eters of air tank,a mathematical model of design and calculation with function representation is established.Its lightweight design software had been written to achieve the best design results with less material consumption and minimal manufacturing cost.
Air tank;Lightweight;Design software;Cylinder;Head;Volume;Wall thickness
TQ 053.2
10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.008
*汤荣跃,男,1972年生,工程师。衢州市,324000。
2017-05-01)