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      換熱器維修用抽芯工作臺縱梁的模糊優化設計

      點擊:1761 日期:[ 2014-04-26 21:14:25 ]
                              換熱器維修用抽芯工作臺縱梁的模糊優化設計                                     孫春一  劉 峰                     (遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧撫順113001)     摘要:研究了現用抽芯設備的優缺點,論述了抽芯工作臺的結構與工作原理,介紹了縱梁的結構設計和模糊優化設計,結果表明,通過模糊優化設計可使縱梁的質量大為減輕。     關鍵詞:換熱器;維修;抽芯工作臺;縱梁;模糊優化設計     中圖分類號:TQ O51.501;TQ 050.7 文獻標志碼:A     目前,各煉油廠或化工廠一般采用半機械化抽芯機進行換熱器的維修,如框架式螺旋增力抽芯機、框架式卷揚抽芯機等,這些抽芯機構的缺點是:① 抽芯機不能獨立工作,必須依靠大型吊車配合才能完成抽芯作業。②抽芯機長達9 m,無論是運輸還是操作都不方便。③ 抽芯機連同管束在空中的搖擺度很大,致使工人作業十分困難,安全性也比較差。④抽芯過程中需2次停機,人工調整鋼絲繩的位置,抽芯時間長,占用工時比例大,自動化程度比較低。文中介紹一種自行設計的新型抽芯機及其縱梁模糊優化設計。     1 結構及原理     筆者設計的新型換熱器抽芯高空作業車的結構示意圖見圖1。該作業車的設計分為主體金屬結構設計和抽芯工作臺設計2部分_1 ]。圖1中的雙點劃線為非工作狀態,實線為工作狀態。抽芯工作臺設置在抽芯框架的下面,與框架一起沿塔段上下移動,避免了使用吊車配合時存在的弊端。抽芯工作臺的長度方向是在圖1垂直紙面的方向,在此方向,工作臺分成3個部分,中間部分不動,兩邊部分用液壓缸折疊,避免了抽芯機長度大的缺點。抽芯工作臺操作時的示意圖見圖2,先將抽芯工作臺沿主體塔段滑道拉至與塔臺換熱器相當的位置,由橫向運動絲杠進行工作臺的對中微調,展開兩邊折疊部分,利用工作臺前端的2個縱向液壓缸調整工作臺與管束平行方向的位移,同時將活塞桿上安裝的半月板與被檢修的換熱器殼體法蘭連接,這些完成以后,就可以進行抽芯工作了。抽芯時,由液壓馬達帶動卷揚拖動工作臺快速接近換熱器,因抽芯的初拉力較大,所以初始階段由主液壓缸抽出管束,當管束被抽出1 m左右時,切換為卷揚快速抽出,抽出適當的距離之后依次套上2根纜索固定管束,繼續抽出過程,直至管束脫離殼體,工作臺將管束放到地面,完成抽芯工作。送回管束的動作與此相反。抽芯操作時,塔段和抽芯框架不動,工人作業時操作省力,安全性比較好。                        新型抽芯工作臺的設計計算部分主要包括縱梁設計、液壓傳動及傳動機構設計、微調機構和其它零部件設計 。文中主要討論縱梁的模糊優化設計。     2 抽芯工作臺縱梁模糊優化設計     抽芯工作臺的主體為2根縱梁,材料選用熱軋工字鋼,材質Q235一A,每根縱梁長為6.5 m,它們通過燕尾形導軌裝在抽芯框架上。雖然縱梁材料選用工字鋼,通過力學計算可求出幾何尺寸,但計算中所求取的應力、剛度和結構尺寸限制具有模糊性,導致質量不一定最小,所以借助模糊優化設計來解決這一問題。     2.1 設計變量及目標函數     2.1.1 設計變量     縱梁的長度已經確定,它與截面面積無關。工字鋼的截面面積一定,則單位質量也就確定了。所以縱梁的獨立設計參數為梁的橫截面寬度b和梁橫截面高度h,故設計變量取為:                         2.2 模糊約束條件     2.2.1 強度約束和剛度約束     由于2根縱梁對稱于縱向中心線,所以將它們看成一個梁,計算得到的應力除以2即可。對整個梁的受力進行分析可知,在抽芯的過程中,每一時刻梁的受力情況都是不一樣的,管束全部抽出且對稱于縱梁的中心時,縱梁與換熱器殼體脫離接觸時的應力為最大。通過求取支反力、繪彎矩圖可確定最大彎矩和撓度的計算公式。                                      把模糊優化問題等價轉化為最優水平截集上的普通優化問題處理,關鍵是求出與最優水平截集對應的最優水平值a,a即為模糊約束的最優隸屬度。按模糊綜合評判法,設備擇集a一(0.0,0.1,0.2,,1.0),因素集u=(“ u1,u2“......u5 ),影響a的模糊因素及其等級見表1。                                     把求出的a和表2中的值代入式(8),得到非模糊化的約束條件,采用復合形法求解,解出圓整后選擇16號熱軋工字鋼(符合GB 706—88),其b一88 mm,h=160 mm,截面面積為26.131 cm。,理論質量20.513 kg/m。普通設計時選擇18號熱軋工字鋼,其b一94 mm,h一180 mm,截面面積為30.756 cm,理論質量24.143 kg/m,模糊優化后的理論質量比普通設計的理論質量減輕15.04 oA。     3 結語     縱梁是抽芯工作臺的重要組成部分。設計縱梁時應當充分考慮各設計參數離散性的影響,應用模糊優化設計對縱梁進行優化,從而可以使理論質量大為減輕。在設計作業車的其它結構時也可以采用此方法。抽芯工作臺的設計使作業車集起重、抽芯、行走3大功能于一體,實現了抽芯設備整機一體化,改變了依賴吊車配合作業的落后局面,對提高石化企業檢修自動化程度、檢修效率以及經濟效益具有實際意義。     參考文獻:     [1] 趙恒華,王 墅.高空抽芯作業車設計[J].石油化工設備,2002,31(1):33-35.     [2] 趙恒華,趙廣杰,張燕.現代換熱器抽芯設備的研制[J].撫順石油學院學報,2003,23(4):31-34.     [3] 蘭州石油機械研究所.換熱器(中冊)[M].北京:烴加工出版社,1988.     [4] 范欽珊.材料力學[M].北京:清化大學出版社,2005.     [5] 蔡春源.機電液設計手冊EM].北京:機械工業出版社,1997.     [6] 陳良玉.機械設計基礎[M].沈陽:東北大學出版社,2000.     [7] 黃洪鐘.模糊設計EM].北京:機械工業出版社,1999.(杜編)
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