油卸車裝卸鶴管與旋轉(zhuǎn)接頭主密封圈設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

      油卸車裝卸鶴管與旋轉(zhuǎn)接頭主密封圈設(shè)計(jì)應(yīng)用分析,為了解決傳統(tǒng)油罐車油料補(bǔ)加系統(tǒng)存在勞動強(qiáng)度大、加注效率低、操作人員易受有毒易燃油氣侵害等問題，開展了油罐車自主補(bǔ)油裝卸鶴管的設(shè)計(jì)及分析。先根據(jù)油罐車自主補(bǔ)油的功能需求，在人工裝卸鶴管基礎(chǔ)上通過將手動閥門改為氣動閥門，將松套法蘭替換為油罐車法蘭快速連接裝置，以及增加液壓缸驅(qū)動等方式進(jìn)行了自主補(bǔ)油裝卸鶴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在旋轉(zhuǎn)接頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中通過增加密封件、塵封圈、止水環(huán)和防水墊片等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；通過前處理、載荷施加以及求解后處理等技術(shù)針對旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行了CAE分析；再通過添加運(yùn)動副約束進(jìn)行了補(bǔ)油裝卸鶴管的動力學(xué)仿真分析，并獲得了裝卸鶴管末端關(guān)節(jié)的位移圖、速度圖和角加速度圖�；�于圓柱滾子和相關(guān)密封圈的旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)，在保證接頭密封同時(shí)也有效提高了補(bǔ)油裝卸鶴管各關(guān)節(jié)的支撐強(qiáng)渡，而CAE分析結(jié)果也驗(yàn)證其滿足了強(qiáng)度和剛度要求。此外補(bǔ)油裝卸鶴管的動力學(xué)分析也確保了其末端關(guān)節(jié)自主補(bǔ)油時(shí)的移動需求。
      在原油裝卸方面，目前大部分石化公司都是采用人工補(bǔ)油設(shè)備，現(xiàn)場人員通過目視來操縱設(shè)備完成對油罐車的補(bǔ)油工作。輕質(zhì)原油具有揮發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，操作員吸入或接觸一定揮發(fā)物易造成急性或慢性的苯中毒。此外，油罐車加油作業(yè)多在室外，不僅要頂著嚴(yán)寒酷暑，而且要進(jìn)行24h輪班作業(yè)，工作量大且強(qiáng)。因此如何提高油罐車補(bǔ)油效率，減少人力成本，降低因原油揮發(fā)給操作員帶來的傷害，已經(jīng)成為石化行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。包括內(nèi)臂、外臂、中間管道和旋轉(zhuǎn)接頭等結(jié)構(gòu)的裝卸鶴管是目前用于油罐車補(bǔ)油的主要門裝備。針對汽車中轉(zhuǎn)液化烴氣體，設(shè)計(jì)了一種包括裝卸鶴管內(nèi)外臂、彎管、旋轉(zhuǎn)接頭等在內(nèi)的萬象裝卸鶴管，通過接頭固定裝置將泄漏有效控制在可控范圍內(nèi)，降低了事故風(fēng)險(xiǎn)。針對LNG裝車撬用設(shè)計(jì)了一種輕便式裝卸鶴管系統(tǒng)，通過液相裝卸鶴管連接到槽車加液臂進(jìn)行灌裝。針對安裝在發(fā)油棧臺上的上裝式操作裝卸鶴管，通過對管道連接、氣液相接頭等改進(jìn)設(shè)計(jì)了下裝式裝卸鶴管，提高了油裝車的生產(chǎn)效率。從目前已有的裝卸鶴管裝備來看，仍然是以人工操作為主，主要通過改進(jìn)連接頭等方式提高補(bǔ)油效率和防止泄露，仍然不具備自主補(bǔ)油功能。為了切實(shí)提高油罐車補(bǔ)油效率和安全性，具備自主補(bǔ)油功能的裝卸鶴管是當(dāng)前石化業(yè)急需智能裝備。
1自主補(bǔ)油裝卸鶴管設(shè)計(jì)
1.1裝卸鶴管總體設(shè)計(jì)
      為了實(shí)現(xiàn)油罐車的自主補(bǔ)油，項(xiàng)目組在人工裝卸鶴管基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖1所示。包括視覺系統(tǒng)、對稱雙臂補(bǔ)油裝卸鶴管以及控制系統(tǒng)。通過視覺實(shí)時(shí)識別油罐車管道接頭，并基于控制系統(tǒng)驅(qū)動補(bǔ)油裝卸鶴管實(shí)現(xiàn)儲油罐和油罐車的自動、有效、安全對接。
      1.油罐車2.視覺系統(tǒng)3.補(bǔ)油裝卸鶴管4.控制系統(tǒng)
      在自主補(bǔ)油系統(tǒng)中，補(bǔ)油裝卸鶴管是關(guān)鍵，將原人工裝卸鶴管中的手動閥門改為氣動閥門，將松套法蘭替換為油罐車法蘭快速連接裝置，在垂管與旋轉(zhuǎn)接頭之間增加平衡調(diào)節(jié)裝置，使垂管基本處于水平狀態(tài)，在旋轉(zhuǎn)接頭處增加液壓缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用于推動臂的旋轉(zhuǎn)，從而使得裝卸鶴管各關(guān)節(jié)在視覺引導(dǎo)下能自動舒展并實(shí)現(xiàn)與油罐車對接。圖2為單臂補(bǔ)油裝卸鶴管，包括旋轉(zhuǎn)接頭、液壓缸、平衡缸、氣動閥門、關(guān)節(jié)等，滿足了其在控制系統(tǒng)作用下能實(shí)現(xiàn)自動張開的條件。
      1.平衡缸2.氣動閥門3.一橫關(guān)節(jié)4.液壓缸5.旋轉(zhuǎn)接頭6.二橫關(guān)節(jié)7.切斷閥8.球閥9.法蘭盤
1.2旋轉(zhuǎn)接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)
      旋轉(zhuǎn)接頭是裝卸鶴管橫豎關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動、完成自主補(bǔ)油的關(guān)鍵連接件，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣直接關(guān)系到裝卸鶴管的密封性和強(qiáng)度，為此進(jìn)行了如圖3所示的旋轉(zhuǎn)接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)。內(nèi)法蘭盤和外法蘭盤之間通過兩排圓柱滾子支撐，實(shí)現(xiàn)了接頭的相對轉(zhuǎn)動，同時(shí)也提高了支撐強(qiáng)度；內(nèi)法蘭盤外壁的凹槽內(nèi)裝有塵封圈，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外法蘭盤的有效密封，防止了外部灰塵、雨、霜等進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部；內(nèi)法蘭盤內(nèi)壁的凹槽內(nèi)裝有止水環(huán)，外套體外壁凹槽內(nèi)裝有次密封圈，內(nèi)法蘭盤和外套體之間還裝有主密封圈實(shí)現(xiàn)了兩者的有效密封。主、次密封圈主要起到耐油、防腐以及減振作用。外法蘭盤和外套體之間也依次裝有防水墊片、主密封圈和次密封圈。止水環(huán)和防水墊片都屬于遇水膨脹型，可以起到二次堵漏止水的密封作用。
      1.外套體2.次密封圈3.主密封圈4.止水環(huán)5.內(nèi)法蘭盤6.圓柱滾子7.塵封圈8.外法蘭盤9.防水墊片
2旋轉(zhuǎn)接頭CAE分析
      在整個自主補(bǔ)油裝卸鶴管中，由于旋轉(zhuǎn)接頭承接著連續(xù)兩根裝卸鶴管管道的連接，無疑是設(shè)備中強(qiáng)度和剛度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為了確保裝卸鶴管的安全性，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了CAE分析。
2.1CAE分析前處理
      為了便于分析，設(shè)計(jì)采用了Solidworks中Work-bench模塊。接頭中金屬材料選用不銹鋼材料，網(wǎng)格劃分的大小設(shè)置為3mm長度，其中外法蘭盤劃分效果如圖4所示。
2.2載荷施加
      旋轉(zhuǎn)接頭的外套體和內(nèi)外法蘭盤通過螺栓連接，螺栓徑向也會受到零件所施加相應(yīng)的剪切應(yīng)力，約1500N。整個旋轉(zhuǎn)接頭外套體會受到其他關(guān)節(jié)的拉力，約為12MPa，在施加完載荷后即可進(jìn)行模型求解。
2.3求解結(jié)果后處理
      圖5給出了分析求解得出的應(yīng)變云圖、應(yīng)力云圖和變形云圖。
      由應(yīng)變分析可知，螺栓連接處地方容易發(fā)生形變；由應(yīng)力圖可以看出，螺栓上方應(yīng)力大，容易受到破壞；由變形圖可以看出，當(dāng)外套體軸向受力時(shí)，外套外圍表面處變形大。對比3幅變形圖，出于安全考慮，應(yīng)力大處應(yīng)被加強(qiáng)處理，可以對其熱處理或者在其表面鍍層可靠的金屬，從而達(dá)到加強(qiáng)加固的效果。變形大處可以采取適當(dāng)增加與其作用力的相反力來相互作用抵消一部分力的優(yōu)化方法。
      此外，通過仿真分析可以看出，應(yīng)力圖中大的應(yīng)力值范圍在71.637MPa~125.33MPa之間，小于不銹鋼的許用應(yīng)力值155MPa。所以，所設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)接頭的外套結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度能夠滿足使用要求。
3補(bǔ)油裝卸鶴管動力學(xué)仿真分析
3.1補(bǔ)油裝卸鶴管模型建立
      為了便于動力學(xué)分析，將Solidworks中補(bǔ)油裝卸鶴管模型進(jìn)行簡化并導(dǎo)入adams軟件，如圖6所示.
3.2運(yùn)動副約束添加
      根據(jù)油罐車自主補(bǔ)油裝卸鶴管各關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)置，在油罐車自主補(bǔ)油裝卸鶴管機(jī)架與大地之間添加固定約束，其余各關(guān)節(jié)根據(jù)油罐車自主補(bǔ)油裝卸鶴管實(shí)際情況添加轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或者移動關(guān)節(jié)。設(shè)計(jì)中所涉及運(yùn)動副為固定副、移動副和轉(zhuǎn)動副，整個模型的運(yùn)動副如圖7所示。
3.3仿真結(jié)果及后處理
      將裝卸鶴管中各物體連接關(guān)系以及驅(qū)動設(shè)置好之后即進(jìn)行運(yùn)動仿真，運(yùn)動時(shí)間為4s，運(yùn)動步數(shù)為1200步，仿真界面如圖8所示。
      為了確保所設(shè)計(jì)自主補(bǔ)油裝卸鶴管的安全、有效，設(shè)計(jì)中基于adams軟件進(jìn)行了運(yùn)動仿真，并對裝卸鶴管末端關(guān)節(jié)的位移、速度和角加速度進(jìn)行分析。圖9給出了相應(yīng)的位移、速度和角速度曲線。由位移圖可以看出，前2s之內(nèi)線性位移值為X軸從-2800~-2200，總位移量為600mm，呈對稱變化，后2s內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動；由速度圖可以看出，末端關(guān)節(jié)大線性速度為每秒500mm，在經(jīng)過約2s后趨于穩(wěn)定，前2s內(nèi)速度在正負(fù)值每秒500mm區(qū)間波動，后2s停止運(yùn)動，速度趨近于0；由角速度圖可以看出，角加速度一開始劇烈的下降到0.264°/(m2·s)，0.1s之后緩速直線上升，趨于穩(wěn)定。
      針對現(xiàn)有石化行業(yè)人工加油存在的勞動強(qiáng)大、效率低以及易受有毒氣體侵害的問題，設(shè)計(jì)了一種自主補(bǔ)油裝卸鶴管。通過仿真和分析可以得出如下結(jié)論：
      （1）針對現(xiàn)有人工操作裝卸鶴管，通過用氣動閥門替換手動閥，以及增加液壓缸驅(qū)動等，實(shí)現(xiàn)了裝卸鶴管自動舒展需求，使其具備了自主補(bǔ)油功能；
      （2）針對裝卸鶴管中關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)接頭，通過增加主次密封圈、圓柱滾子、止水環(huán)和防水墊片等，有效保證了旋轉(zhuǎn)接頭連接管道的密封性；
      （3）針對裝卸鶴管旋轉(zhuǎn)接頭的強(qiáng)度和剛度問題，在施加載荷情況下，通過有限元技術(shù)驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)接頭外套結(jié)構(gòu)滿足使用要求；
      （4）基于adams的動力學(xué)仿真，通過裝卸鶴管末關(guān)節(jié)的運(yùn)動分析進(jìn)一步驗(yàn)證了文中所設(shè)計(jì)的補(bǔ)油裝卸鶴管滿足了自主補(bǔ)油時(shí)的移動要求。