□ 王 玉

沈阳汇博热能设备有限公司 沈阳 110168

1 研究背景

质心精确位置的确定是装备研究的一项重要内容,特别是对国防军事[1-2]、航空航天[3-4]、车辆工程[5-6]等领域而言。质心的精确位置主要通过测量[7-8]和虚拟样机技术[9]获得。随着设计的精细化,许多传统机械装备也需要获得质心的确切位置。

热交换器是一种重要的工艺设备,管壳式热交换器[10]是此类设备中应用最为普遍的。管箱承担热交换器管程介质进出的功能。为了控制管程流速处于合理范围内,常将管程数设置为1、2、4、6、8、10、12等七种形式。管箱主要由设备法兰、短节、封头、分程隔板、接管、管法兰等构成,存在轴向不对称、上下不对称或左右不对称的问题。因此,要精确确定吊耳的位置十分困难。工程中多凭经验确定吊耳的位置,误差很大。

2 存在的问题

由于工程设计多以卧式安放为主,因此管箱吊装时,最理想的状况是设备法兰密封面方向为铅垂面方向,此时安装有利于螺栓预紧力均匀分布。如果吊耳没有处于质心截面,而是出现偏置,那么此时配合的密封面相互是不平行的,螺孔不同轴,螺栓预紧力可能分布不均,会导致泄漏,甚至出现配合的密封面损伤和人身伤害事故,尤其是在拆卸吊装封头时,管箱的质心一侧会突然向另一侧偏转。

3 管箱结构

图1所示为典型的管壳式热交换器四管程管箱,公称通径为800 mm,设计内压为6.3 MPa,设计温度为100 ℃,由设备法兰、短节、椭圆封头构成半封闭结构,内部装有分程隔板,短节上方和下方各装有接管和管法兰。零件的材质包括Q345R板、16Mn锻件和Q235B板,密度基本一致。构成管箱的各零件通过焊接连接。

图1 四管程管箱

4 管箱质心位置分析

针对该四管程管箱的结构特点,对质心的位置进行定性分析。轴向(X向)不对称,由于设备法兰质量相对较大,质心靠近于设备法兰一侧。上下(Y向)对称,质心位于通过轴心的水平面上。左右(Z向)不对称,由于接管、管法兰、分程隔板Ⅱ的影响,质心位于中心铅垂面右侧。

5 SolidWorks软件三维建模

SolidWorks是较通用的三维建模绘图软件,一般通过草绘、旋转、拉伸、切除等功能,实现立体图形的绘制。

按图1所示二维四管程管箱,利用SolidWorks软件绘制三维立体图。

(1) 以设备法兰密封面中心为坐标原点,以管箱轴线为对称轴,在XY平面分别草绘设备法兰、短节、椭圆封头截面图形。

(2) 以X轴为旋转轴旋转上述草绘图形,得到管箱的基本结构。

(3) 在YZ平面草绘分程隔板Ⅰ、分程隔板Ⅱ和设备法兰螺栓孔图形,通过拉伸、切除功能,完成相应结构造型。

(4) 新建一个平行于XY平面的平面,距XY平面200 mm,Z轴为正方向,新坐标原点为x=400 mm,y=629 mm,z=200 mm。在该平面上草绘管法兰和接管截面,并沿中心轴旋转,切除多余的接管旋转体。在管法兰密封面上草绘管法兰螺孔,并切除管法兰上的螺孔。

(5) 镜像新建成的上方接管和管法兰,形成下方接管和管法兰。

为简化绘制流程,笔者没有绘制对质心位置影响不大的焊接接头。完成后的四管程管箱立体造型如图2所示。

图2 四管程管箱立体造型

6 管箱质心位置确定

为各部件配置材料。如前所述,各构成材料密度相近,均可按普通碳钢选取。在评估、质量属性菜单下,可以得到管箱的密度、质量、体积、表面积、质心等数据。管箱具体数据见表1。主视图和左视图中的质心位置如图3所示。

表1 管箱具体数据

图3 管箱质心位置

7 吊耳位置确定

根据得到的四管程管箱质心坐标数据,确定精确的吊耳位置,如图4所示。需要注意的是,因质心铅垂面有偏置,会导致左右吊耳尺寸不同。

图4 安装吊耳后四管程管箱

8 结束语

笔者所述设计方法同样适用于立式安装的管壳式热交换器管箱。以卧式为基准,只需将吊耳与短节配合的圆弧面改为平面,沿与Z向平行且通过质心的水平轴各旋转90°即可。也可推广至其它需要精确确定吊耳位置的机械构件和整机,包括由不同密度材料零件组合的机械构件和整机。