油罐車自主補(bǔ)油鶴管的設(shè)計(jì)及分析

王 巍，薛子寧

（1.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006；2.江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

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(chǎng)人員通過目視來操縱設(shè)備完成對(duì)油罐車的補(bǔ)油工作[1]。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[2，3]。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24 h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)的鶴管是目前用于油罐車補(bǔ)油的主要專門裝備[4]。王有剛等[5]針對(duì)汽車中轉(zhuǎn)液化烴氣體，設(shè)計(jì)了一種包括鶴管內(nèi)外臂、彎管、旋轉(zhuǎn)接頭等在內(nèi)的萬象鶴管，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)。李延銘等[6]針對(duì)LNG裝車撬用設(shè)計(jì)了一種輕便式鶴管系統(tǒng)，通過液相鶴管連接到槽車加液臂進(jìn)行灌裝。張超[7]針對(duì)安裝在發(fā)油棧臺(tái)上的上裝式操作鶴管，通過對(duì)管道連接、氣液相接頭等改進(jìn)設(shè)計(jì)了下裝式鶴管，提高了油裝車的生產(chǎn)效率。從目前已有的鶴管裝備來看，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)油功能的鶴管是當(dāng)前石化業(yè)急需智能裝備。

1 自主補(bǔ)油鶴管設(shè)計(jì)

1.1 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(duì)稱雙臂補(bǔ)油鶴管以及控制系統(tǒng)。通過視覺實(shí)時(shí)識(shí)別油罐車管道接頭，并基于控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)油鶴管實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐和油罐車的自動(dòng)、有效、安全對(duì)接。

圖1 自主補(bǔ)油系統(tǒng)

在自主補(bǔ)油系統(tǒng)中，補(bǔ)油鶴管是關(guān)鍵，將原人工鶴管中的手動(dòng)閥門改為氣動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)，用于推動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)，從而使得鶴管各關(guān)節(jié)在視覺引導(dǎo)下能自動(dòng)舒展并實(shí)現(xiàn)與油罐車對(duì)接。圖2為單臂補(bǔ)油鶴管，包括旋轉(zhuǎn)接頭、液壓缸、平衡缸、氣動(dòng)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(dòng)張開的條件。

圖2 補(bǔ)油鶴管結(jié)構(gòu)圖

1.2 旋轉(zhuǎn)接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)接頭是鶴管橫豎關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)、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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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。

圖3 旋轉(zhuǎn)接頭爆炸圖

2 旋轉(zhuǎn)接頭CAE分析

在整個(gè)自主補(bǔ)油鶴管中，由于旋轉(zhuǎn)接頭承接著連續(xù)兩根鶴管管道的連接，無疑是設(shè)備中強(qiáng)度和剛度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為了確保鶴管的安全性，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了CAE分析。

2.1 CAE分析前處理

為了便于分析，設(shè)計(jì)采用了Solidworks中Workbench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3 mm長(zhǎng)度，其中外法蘭盤劃分效果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

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(huì)受到零件所施加相應(yīng)的剪切應(yīng)力，約1500 N。整個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭外套體會(huì)受到其他關(guān)節(jié)的拉力，約為12 MPa，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?cè)茍D、應(yīng)力云圖和變形云圖。

圖5 求解結(jié)果

由應(yīng)變分析可知，螺栓連接處地方最容易發(fā)生形變；由應(yīng)力圖可以看出，螺栓上方應(yīng)力最大，最容易受到破壞；由變形圖可以看出，當(dāng)外套體軸向受力時(shí)，外套最外圍表面處變形最大。對(duì)比3幅變形圖，出于安全考慮，應(yīng)力最大處應(yīng)被加強(qiáng)處理，可以對(duì)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。變形最大處可以采取適當(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)力圖中最大的應(yīng)力值范圍在71.637 MPa～125.33 MPa之間，小于不銹鋼的許用應(yīng)力值155 MPa。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)油鶴管動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 補(bǔ)油鶴管模型建立

為了便于動(dòng)力學(xué)分析，將Solidworks中補(bǔ)油鶴管模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并導(dǎo)入adams軟件，如圖6所示。

圖6 補(bǔ)油鶴管簡(jiǎn)化模型

3.2 運(yùn)動(dòng)副約束添加

根據(jù)油罐車自主補(bǔ)油鶴管各關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)置，在油罐車自主補(bǔ)油鶴管機(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)油鶴管實(shí)際情況添加轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)或者移動(dòng)關(guān)節(jié)。設(shè)計(jì)中所涉及運(yùn)動(dòng)副為固定副、移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副，整個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)副如圖7所示。

圖7 補(bǔ)油鶴管運(yùn)動(dòng)副

3.3 仿真結(jié)果及后處理

將鶴管中各物體連接關(guān)系以及驅(qū)動(dòng)設(shè)置好之后即進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為4 s，運(yùn)動(dòng)步數(shù)為1200步，仿真界面如圖8所示。

圖8 運(yùn)動(dòng)仿真界面

為了確保所設(shè)計(jì)自主補(bǔ)油鶴管的安全、有效，設(shè)計(jì)中基于adams軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，并對(duì)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2 s之內(nèi)線性位移值為X軸從-2800～-2200，總位移量為600 mm，呈對(duì)稱變化，后2 s內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；由速度圖可以看出，末端關(guān)節(jié)最大線性速度為每秒500 mm，在經(jīng)過約2 s后趨于穩(wěn)定，前2 s內(nèi)速度在正負(fù)值每秒500 mm區(qū)間波動(dòng)，后2 s停止運(yùn)動(dòng)，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)，0.1 s之后緩速直線上升，趨于穩(wěn)定。

圖9 鶴管末端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有石化行業(yè)人工加油存在的勞動(dòng)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)油鶴管。通過仿真和分析可以得出如下結(jié)論：

（1）針對(duì)現(xiàn)有人工操作鶴管，通過用氣動(dòng)閥門替換手動(dòng)閥，以及增加液壓缸驅(qū)動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)了鶴管自動(dòng)舒展需求，使其具備了自主補(bǔ)油功能；

（2）針對(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)仿真，通過鶴管末關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)一步驗(yàn)證了文中所設(shè)計(jì)的補(bǔ)油鶴管滿足了自主補(bǔ)油時(shí)的移動(dòng)要求。