（机械制造及其自动化专业论文）u形管换热器密封面修复专用装置的开发研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着国家经济的快速发展，u 形管式换热器得到广泛的应用。为了满足社会生产需 求，企业扩大生产规模，u 形管式换热器也趋向大型化发展。在u 形管式换热器制造和 使用过程当中，一旦出现问题，由于管束过长，以目前的现有技术，u 形管换热器管板 管束焊装后，管板密封面无法再加工处理，造成制造过程及维修中许多问题。针对这一 问题，设计了一种能在现场对管束焊装后的管板密封面进行精加工处理的专用装置。 本课题在深入分析研究u 形管式换热器的结构特点，对焊后管板管束侧密封面加工 问题进行深入研究，提出了实现密封面加工的技术方案，研究开发了一台数控专用机床， 用于管束焊装后的管板密封面的加工。机床的主运动采用调速电机驱动，轴向和径向进 给运动采用步进电机驱动。并对机床的三个运动系统的结构进行了设计分析，对主要运 动部件进行了计算与分析。机床的控制系统采用p l c 可编程控制器为主控制器，通过 自主开发的系统控制软件，实现密封面的成形加工。为了便于操作，设计了悬挂式移动 操作台，可进行远程操作。 本课题实现了u 形管式换热器管束焊装后的管板密封面的有效加工，给u 形管式 换热器的制造维修带来极大的便利，给u 形管式换热器制造和使用厂家能带来直接的经 济效益，提高企业在市场中的竞争力，也拓宽了数控技术的应用领域。 关键词：u 形管式换热器；密封面；专用机床；p l c 可编程控制器； u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 a b s t r a c t a sc h i n a se c o n o m yh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , uh e a t - e x c h a n g e rp i p ei sw i d e l yu s e d i n o r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o n ，t h ee n t e r p r i s e se x p a n dt h es c a l eo fp r o d u c t i o n ， a n du h e a t e x c h a n g e r sb e c o m em u c hl a r g e r i nt h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r i n ga n du s i n gt h eu p i p e ，w h e nt h eup i p ei sd a m a g e d ，t h es e a l i n gs u r f a c eo ft h es o l d e r e dh e a t - e x c h a n g e r sb o a r d a n di t sb u n d l ec a nn o tt ob em a i n t a i n e db yc u r r e n tt e c h n o l o g yf o r t h ep i p eb u n d l ei st o ol o n g ， w h i c hb r i n gm a n yp r o b l e m st ot h e p r o c e s so fm a n u f a c t u r i n g a n dm a i n t e n a n c eo fu h e a t - e x c h a n g e r t os o l v et h i sp i v o t a lp r o b l e m ，t h ed e s i g n o fs p e c i a ld e v i c et of i n i s h m a c h i n i n gt h es e a l i n gs u r f a c eo fs o l d e r e dp i p eb o a r da n db u n d l e si nl o c a l eb e c o m e su r g e n t a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo ft h eu h e a t e x c h a n g e ra n dt h ep r o b l e mo f s e a l i n gs u r f a c eo fs o l d e r e db o a r da n db u n d l e s ，t h i ss u b j e c tp r e s e n t sat e c h n i c a lp r o p o s a lf o r s e a l i n gs u r f a c e as p e c i a ln u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e df o rm a i n t a i n i n gt h e s e a l i n gs u r f a c eo fs o l d e r e dp i p eb o a r d t h em a c h i n ei sd r o v eb ya d j u s t a b l ee l e c t r i c a l m a c h i n e r y , a n d i t sa x i a la n dr a d i a lm o v e m e n ti sd r o v eb ys t e pe l e c t r i c a lm a c h i n e r y t h i s p a p e r d e s i g n sa n da n a l y z e st h es t r u c t u r eo ft h r e em o v e m e n ts y s t e m sa n di t a l s oc a l c u l a t e sa n d a n a l y z e st h em a i nm o v i n gp a r t s t h em a i nc o n t r o l l e ro ft h em a c h i n ec o n t r o l l a b l es y s t e mi s p l cp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r t h i sn e wd e v e l o p i n gs y s t e mc o n t r o l ss o f t w a r et oa c h i e v e s h a p i n gt h es e a l i n gs u r f a c e i no r d e rt oo p e r a t ee a s i l y , ah a n g e dm o v i n go p e r a t i o ni sd e s i g n e d ， a n di tc a no p e r a t ei nl o n gd i s t a n c e t h i ss u b j e c tp r e s e n t sa ne f f e c t i v ep r o c e s s i n gf o ru h e a t - e x c h a n g e ro fs o l d e r e dp i p eb u n d l e s ，a n d i t b r i n g s ag r e a tc o n v e n i e n c ef o rt h e m a n u f a c t u r i n ga n dm a i n t a i n i n go ft h euh e a t e x c h a n g e r a n di t a l s ob r i n g st h ed i r e c t e c o n o m i cr e t u r n sf o rm a n u f a c t u r e ra n du s e r s ，e n h a n c e se n t e r p r i s e s c o m p e t i t i v e n e s si nt h e m a r k e ta n dw i d e n st h ef i e l do fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e k e y w o r d s ：up i p ef o rh e a t e x c h a n g e r ；s e a l i n gs u r f a c e ；s p e c i a lm a c h i n e ；p l cp r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r 硕士学位论文 插图索引 图2 1u 形管式换热器简图8 图3 1 医药u 形管式换热器1 2 图3 2 冶金u 形管式换热器1 2 图3 3 化工u 形管式换热器：1 3 图3 4u 形管式换热器核心结构图1 3 图3 5u 形管式换热器结构图1 4 图3 6 机床与工件的布局图1 5 图5 1 机床主运动动力结构图2 1 图5 2 机床工件卡紧图2 2 图5 3 机床孔径适应环图2 2 图5 4 机床工件孔径适应环卡紧图2 3 图5 5 进给控制系统示意图2 5 图5 6 轴向进给系统的动力传动简图2 7 图5 7 径向进给系统的动力传动简图3 1 图5 8 碳刷滑环装置图3 3 图5 9 转臂示意图3 3 图5 1 0 机床总体结构图3 4 图6 1 齿盘三唯图3 9 图6 2 算例属性管理器4 0 图6 3 生成算例4 0 图6 4 设定约束4 0 图6 5 给定压力4 1 图6 6 创建网格4 1 图6 7 运行分析4 2 图6 8 齿盘静载荷应力图解4 2 图6 9 齿盘静载荷位移图解4 2 图6 1 0 齿盘静载荷应变图解4 3 图6 1 1 齿轮静载荷应力图解j 4 3 图6 12 齿轮静载荷位移图解4 3 图6 13 齿盘静载荷应变图解4 4 图7 1p l c 原理图4 7 图7 2c n c 控制系统构成4 9 i u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 图7 3p l c 主机端子配置图5 0 图7 4p l c 开关量输入接线5 1 图7 5p l c 开关量输出接线5 1 i v 硕士学位论文 附表索引 表4 1 不同管板直径下的切削用量2 0 表5 1y 1 1 2 m 4 三相异步电动机参数2 3 表5 2 双轴型一级减速器减速比与许用输入功率参数2 5 表5 3 双轴型一级减速器减速比与输出轴许用扭矩参数2 5 表5 41 1 0 b y g 3 5 0 c h s a k s m a 0 5 0 1 型电机参数2 8 表5 5 细分模式选择表3 0 表5 65 7 b y g 3 5 0 c l s a k s m l 0 6 0 1 型电机参数3 2 表7 1 国外主要的p l c 厂家4 7 表7 2p l c 类型4 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：幸盎 日期：矽年易月办日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 牟鑫 瘤孚 日期：矽年歹月乃日 日期：护矽年多月印日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题目的意义、课题内容和来源 1 1 1 课题目的意义 近年来，石油化工工业迅猛发展，现已成为我国国民经济的重要支柱产业， 对我国的经济有着举足轻重的影响。在石油、化工工艺等许多领域中，都不可避 免的伴随着热量的交换，而这一切都必须通过热交换设备一换热器来实现，约 占工艺设备总量的2 0 7 0 i 。 换热器按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其他形式的换 热器，目前常用的换热器种类有浮头式、固定管板式和u 形管式。固定管板式换 热器由于自身结构，应用的场合有限；浮头式换热器零部件多，易拆卸和清理， 但检修的工作量大，容易内漏；u 形管式换热器的管板比固定管板式换热器少， 其泄漏点就相应减少，而且在同一直径情况下换热面积大，结构简单、紧凑，在 高温、高压下金属耗量小，因此被广泛使用【2 j 。改革开放以来国家经济的飞速发 展，对石油化工衍生产品的需求量也迅速增长。为了满足各行各业的需求，在国 家资金的支持下，各石油炼化工厂都纷纷扩建及改建炼化规模，这种举措促使了 炼化设备的更新换代，随之给炼化设备的制造厂商带来了生机，也提出了许多难 题，特别是由于炼化生产规模的扩大，使原来的炼化设备装置由几十吨增加到几 百吨及上千吨。作为炼化行业关键设备之一的u 形管式换热器，其操作条件十 分苛刻，多用在高温、高压、腐蚀的工作条件，而且其介质氢气易燃、易爆，危 险性高。那么随着u 形管式换热器趋于大型化，对u 形管式换热器的设计、材 料、制造、检验、运输、安装提出了新的挑战。作为石油炼化过程当中的关键设 备，影响u 形管式换热器性能的因素有很多，比如设计、原材料质量、焊接结构、 焊接工艺、焊接过程控制、热处理工艺以及严格质量的检验等。其中最为主要的 一项就是简体，管板，封头三者之间的密封性能是否良好【3 1 。因为u 形管式换热 器的工作条件比较苛刻，假如制造过程中密封性能差或者是在使用过程当中由于 密封面变形最终导致泄漏，如果不加以及时处理，继续盲目使用，必将成为爆炸 事故的主要根源。为了防止事故的发生，定期对u 形管式换热器进行维护还是必 要的，由于u 形管式换热器一般体积大、重量重，用常规的机械加工设备修复 密封槽缺陷时无法就地加工，并且管板侧的密封面在制造厂的加工均在u 形管 组装前完成，u 形管组装后也无手段进行再次处理，对使用厂家，当管板侧的密 封面发生问题只能使整台设备报废。所以说u 形管式换热器的法兰密封面在线 修复处理难度大，如果是管板封头侧密封面还可以离线修复，管板侧离线修复也 是很困难的。当离线修复时，投入的人力、物力又太大，工期长，造成停产时间 长，对工业生产影响大：如果是管板管束侧密封面发生泄露的话，到目前为止还 u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 没有可行的加工修复设备，上百万的设备只能报废。针对上述问题，开发研制可 直接在现场对u 形管式换热器的密封面进行修复加工的专用机床是非常必要的。 该设备的开发成功，志在能对u 形管式换热器的密封面进行二次加工，解决u 形管式换热器制造过程及使用过程中处理手段不足的问题。 1 1 2 课题来源 本课题受国内大型压力容器制造厂商之一的兰石集团，委托开发研制用于加 工u 形管换热器管板管束焊装后管板密封面专用机床。 兰石集团简介1 4 j 兰州兰石集团有限公司( 简称兰石集团) 是按照建立现代企业制度的要求， 在原兰州石油化工机械设备工程集团公司的基础上，于2 0 0 2 年1 2 月2 7 日改制 组建的新型集团公司。兰石集团主营石油钻采机械、炼油化工设备及通用机械设 备制造。兰石集团的前身兰州石油化工机器总厂始建于1 9 5 3 年，是我国第一个 五年计划期间国家1 5 6 个重点建设项目中的两个项目一兰州石油化工机械厂和 兰州炼油化工设备厂合并而成的，是我国最大的石油钻采机械和炼油化工设备生 产基地。 1 1 3 课题内容 本文针对u 形管式换热器管板管束侧密封面的再线修复存在的问题，提出 了密封面的在线修复的方案。研制了用于在线修复的数控机床，实现了u 形管 式换热器管板管束侧密封面的在线修复。 对u 形管式换热器来说，由于组成结构的特殊性，目前管板管束焊装后管板 侧密封面还没有手段能继续进行加工。u 形管式换热器的制造过程中，管板管束 焊装后为消除其应力的热处理及搬运过程，均要对密封面严加保护，防止其损伤。 如果后续过程发生密封面变形或损伤，处理办法只能是切掉管束，再用与管束等 直径的钻头打掉残余部分，对密封面加工处理后再次焊装管束。 研究内容包括： 1 分析u 形管式换热器的制造工艺 2 根据管板结构确定设备总体方案 3 确定本设备特定条件下的主传动系统结构 4 分析确定刀具沿管板轴向与径向进给系统的结构 5 机床结构开发设计手段的确定 6 电机的类型及选择计算 7 各主要部件结构设计 8 机床总体结构开发设计 9 专机在不同管板直径下的安装形式研究 1 0 机床控制系统的确定 2 硕士学位论文 1 2 国内研究现状 目前，u 形管式换热器的使用寿命很大程度上取决于密封面的寿命，一旦出 现泄漏，在更换密封垫后不能解决问题的情况下，只能做报废处理。国内有些单 位设计了修复法兰面的些专用加工装置，对现有的机床进行改造来修复等。但 都有一定的加工局限性，只适用于一定的加工对象。运动链较多，手动调刀具。 对于u 形管式换热器这样具有一定特殊结构的工件加工还无法实现，尤其是u 形管式换热器的管板上的密封面无法实现。 辽宁石油化工大学根据法兰类零件端面现场加工的要求，提出了一种适合于 现场加工使用要求的加工机设计方案。主要用于现场加工筒节端部各种形状的焊 接坡口与端面，解决焊接时的开坡口与法兰密封面的重新加工问题。加工机分成 动力站单元、动力罩单元、回转与变速单元、支撑夹紧单元。加工机通过夹具体 和卡头安装定位在工件上。采用低速大扭矩液压马达作为驱动元件马达带动一对 锥齿轮旋转，其中大锥齿轮通过螺栓与回转身联为一体，从而使回转身围绕主轴 旋转；主轴上有一个大齿轮，该大齿轮通过键与主轴联接，相对于工件静止不动。 变速箱通过螺栓与回转身连接，与回转身起围绕主轴旋转；变速箱中有一个齿 轮与主轴上的大齿轮啮合，将动力传递到变速箱中；经过变速箱变速后，动力又通 过齿轮传递到切削臂上的丝杠轴上；丝杠带动刀架沿工件径向方向运动，从而完 成刀具的径向迸给运动；通过刀架上的手动调节机构，实现刀具沿工件轴线方向 的进给，完成一定量的切削深度控制1 5 j 。 浙江工业大学研究设计了一台移动式加工机床，针对在现场施工和检修中加 工管道、阀门、压力容器等设备的法兰面或端部。该机床由主轴主传动部件、进 给箱部件、转臂、刀架部件和机架固紧部件等四大部分组成。整个主轴主传动部 件安装在机架紧固部件上，主轴相对被加工件静止，动力和运动由电机传至v 带，再经蜗杆蜗轮传动，通过蜗轮座与转臂刀架部件的固联，将动力和运动传给 转臂刀架部件及进给箱部件。运动由进给箱的回转，带动各级齿轮转动，将运动 传给转臂刀架部件中的丝杠和光杠，使刀架完成横向进给和纵向进给。机架的紧 固部件由加紧主件和调节找正附件组成，先利用调节找正附件加紧主件置于法兰 内孔中进行调整，使其加紧主件轴心线与法兰内孔中心线尽可能重合，加紧主件 由三个螺柱组成楔紧机构将其紧固于法兰内孔上【引。 抚顺职业技术学院对加氢换热器的法兰密封面的修复问题进行研究，利用 d 2 0 0 落地车床。以车代镗进行法兰密封面的修复加工。改造重配由2 5 0 0 m m 卡 盘，将该设备的加工能力扩大到加工直径为巾2 6 0 0 r a m ，中心高为1 3 2 0 m m 。另外 卡盘上设有可纵向、横向移动的刀架装置，该机床利用卡盘的旋转带动附加刀架 来代替大型镗头使用，其加工直径可达由2 4 0 0 r a m 。且该设备有可移地平台，其 加工长度可长达2 0 m 。将壳体组件放置于地平台上并固定，来修复加工法兰密封 面。对法兰密封面进行加工时小拖板的纵向移动可切深上刀，平面的加工用中拖 板、卡盘旋转、手动均匀地摇动手把加工平面【7 l 。 3 u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 兰州理工大学在深入分析研究压力容器法兰密封面的结构特点，槽损伤规律 及修复工艺的基础上，设计了一台可移动的直接安装在待加工法兰上的数控加工 机床。该装置的基本组成是：卡盘由胀紧螺钉固定在被加工法兰的孔中，液压马达 的壳体与卡盘固连，液压马达的输出端固连有转盘，转盘由轴承定位在卡盘的孔 中，在转盘上由螺钉连接转臂，构成了主运动回转系统。在转臂上有一个两坐标联 动运动的数字控制进给系统，数字控制的电机通过减速器带动丝杠旋转，使刀具 实现平行法兰端面的进给运动：数字控制的电机直接带动丝杠旋转，使刀具实现 平行法兰孔轴线的迸给运动。当大孔径法兰加工时，通过在机床上增加附件孔径 适应环来确保机床安装的稳固【8 l 。 1 3 数控机床的产生和发展 1 3 1 数控机床的产生和发展 第二次世界大战后，美国为革新飞机制造业中用于仿形机床的靠模和样件的 加工设备，开始研制新型机床。1 9 5 2 年，美国帕森斯公司( p a r s o n sc o ) 与麻省理 工学院伺服机构实验室( s e r v em e c h a n i c sl a b o r a t o r yo ft h em a s s a c h u s e t t s i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 合作，研制成功第一代数控系统。用于三坐标立式铣床。 其插补装置采用脉冲乘法器，整个控制装置由真空管组成。1 9 5 9 年，晶体管元 件问世，数控系统中广泛采用晶体管和印制板电路，从此数控系统进入第二代。 1 9 6 5 年，出现了小规模集成电路，由于其体积较小，功耗低，、抗干扰能力较强， 使数控系统的可靠性得到进一步提高，数控系统发展到第三代。 上述三代数控系统均为硬接线数控系统，称为普通数控系统( n c ) 。 随着计算机技术的发展，出现了以小型计算机替代专用硬接线装置，以控制 软件实现数控功能的计算机数控系统( c n c ) ，使数控系统进入第四代。 1 9 7 0 年前后，美国英特尔( i n t e l ) 公司首先开发和使用了四位微处理器，1 9 7 4 年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统，由于中、大规模集成电 路的集成度和可靠性高、价格低廉，所以微处理器数控系统得到了广泛应用。这 就是微机数控系统，从而使数控系统进入了第五代。 现代数控系统为了进一步扩展功能，增强实时控制能力和可靠性，常采用多 微处理器结构，如s i e m e n s 公司的s i n u m e r i k8 4 0 d 和日本f a n u c 公司 f a n u co i 系列等。由多个微处理器构成功能模块，各功能模块之间的互连与通 信，或采用共享总线结构，或采用共享存贮器结构 1 3 2 数控机床未来的发展趋势 1 向高速度、高精度发展 现代机床数控系统多采用3 2 位c p u 和多c p u 并行技术，使运算速度得到了 很大的提高。与高性能数控系统相配合，现代数控机床采用了交流数字伺服系统。 伺服电机的位置、速度和电流环都实现了数字化。数控系统的联动轴数多达9 个，使机床可以加工较复杂的空间线型或型面p j 。 4 硕士学位论文 2 可靠性的提高 由于现代数控系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保 证产品质量。现代数控系统大量采用大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集 成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，提高了可靠性。 3 采用自动程序编制技术 现代数控系统利用其自身很强的存贮及运算能力，( 如s i n u m e r i k8 4 0 d c p u 采用p e n t i u mi i 处理器) 把很多自动编程功能植入数控系统。在一些新型的数 控系统中，还装入了小型工艺数据库，使得数控系统不仅具有在线零件程序编制 功能，而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能，工件材料及零件加工要 求，自动选择最佳刀具及切削用量。 4 具有更高的通信功能 为了适应自动技术的进一步发展，适应工厂自动化的规模越来越大的要求， 为了满足不同厂家不同类型数控系统的联网需要，现代机床数控系统的通信功能 不断加强，不少系统具有远程诊断功能和e t h e r n e ti n t e r f a c e 接口。实现远程通讯 功能。美国通用汽车公司在1 9 8 3 年提出的制造自动化协议( m a p m a n u f a c t u r e a u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 是众多通信标准中发展最快的一个m a p 的主要特点是提供 以开放性为基础的局部网络，使来自许多厂房的设备可以通过相同的通信协议而 相互连接，由于m a p 的出现，推动了通信标准化的进程【1 叭。 数控机床是一种高自动化的设备，技术复杂、成本较高，从其使用的经济效 益出发，在目前阶段，特别是在我国，仍多用于精度高、形状复杂中小批量零件 的加工。相信在不远的将来，随着数控技术的发展，以数控机床为核心的柔性制 造系统、无人工厂必将逐步取代现有的生产模式，成为机加行业的主导力量【1 1 l 。 1 4s o l i dw o r k s 、c o s m o sw o r k s 分析软件简介 为了能尽快开发出专门用于加工u 形管式换热器管板管束侧密封面的装置， 在装置开发过程中采用了先进的开发平台一一s o l i dw o r k s 软件。 s o l i dw o r k s 软件自1 9 9 6 年问世之后，就进入了中国的c a d c a m 市场， 数年来s o l i dw o r k s 软件在草图图元类型，编辑和复制草图功能，以及编辑与复 制特征功能上，都有长足的进步，更增添了许多有关曲线以及曲面的构图功能。 s o l i dw o r k s 三维机械设计软件具有“功能强大 、“易用性 和“高效性 等 特点。 s o l i dw o r k s 不是一个简单的实体建模工具，而是一个面向产品级的机械设 计系统。它既提供自底向上的装配方法，同时还提供自顶向下的装配方法。自顶 向下的装配方法使工程师能够在装配环境中参考装配体其他零件的位置及尺寸 设计新零件，更加符合工程习惯。在装配设计，特别是大装配的情形下，新零件， 更加符合工程习惯。s o l i dw o r k s 设计了具有独创性的“封套 功能，分块处理 复杂装配体。装配设计中的“产品配置 功能，为用户设计不同“构型一的产品 提供了解决方案，同时为产品数据管理系统的实施打下了坚实的基础。将单个的 5 u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 实体模型连接起来，就可以生成装配模型。智能化约束条件表示出部件间的装配 约束关系，同时可以把一组部件按照需要组成一些子装配模型。装配模型可以用 来检验属性及干涉情况。还可以自动生成爆炸图效果。与实体模型一样，装配模 型中也包含一些很有价值的工程数据，这些数据在后期软件中要用到，比如：运 动学仿真软件、动态分析软件1 1 2 b j 。 有限元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法，目前在工程技术领域 中应用十分广泛，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依 据目前有限分析软件比较多，如a n s y s 、p a t r a n 、n a s t r a n 、c o s m o s 等， 其中c o s m o s 由于其具有价格低廉、界面友好、简单易学、简洁直观而受到越来 越多的普通程师的青睐，而且c o s m o s 还是当今有限元分析领域最快的有限元 分析软件。c o s m o sw o r k s 是c o s m o s 的一个非常重要的模块，能够进行静 力分析、频率分析、热分析、和设计优化。 c o s m o sw o r k s 是s r a c ( s t r u c t u r er e s e a r c h a n a l y s i sc o r p o r a ) 公司 推出的一套强大的有限元分析软件，该公司_ 直至力于有限元c a e 技术的研究和 发展。早期的有限元技术高高在上，只有一些国家的部门如宇航，军事部门可以 使用，而此后的一些有限元分析软件也都存在界面不友好、难学难用的缺点，且 要求的设备昂贵。虽然用的范围大了一些，但也都是集中在大学和一些研究机构， 只有少数专业人员才能有机会接触，普通的工程师可望而不可及。然而自c o s m o s 出现后，有限元分析的大门终于向普通工程师敞开了，把高高在上的有限元 技术平民化，它易学易用，简洁直观，能够在普通的p c 机上运行，不需要专业 的有限元经验。普通的工程师都可以进行工程分析，。迅速得到分析结果，从而最 大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。 c o s m o sw o r k s 是世界上最快的有限元分析软件，这是由于它采用了f f e ( f a s tf i n i t ee l e m e n t ) 快速有限元算法技术，f f e 算法是工程设计分析人员的分 析利器，快速有限元算法中图形化的操作界面可使您直观地划分网格单元、定义 边界载荷条件及快速地求解计算结果，您会发现其分析结果与理论结果十分相 近，并且速度飞快。有关测试表明，快速有限元算法( f f e ) 提升了传统算法 5 0 1 0 0 倍的解题速度。 s r a c 公司的快速有限元算法( f f e ) 比较突出的原因如下：1 快速有限元算 法参考以往的有限元求解算法的经验，以c + + 语言重新编写程序，程序代码 中尽量减少循环语句，且引入当今世界范围内软件程序设计新技术的精华。 因此极大提高了求解器的速度；2 快速有限元算法使用新的技术开发、管理其资 料库，使程序在读、写、打开、保存资料及文件时，能够大幅提升速度；3 快速 有限元算法按独家数值分析经验，搜索所有可能的预设条件组合( 经大型复杂运 算测试无误者) 来解题，故在求解时快速而能收敛。 而且c o s m o sw o r k s 是一个与s o l i dw o r k s 完全集成的设计分析系统，而s o l i d w o r k s 本身并没有有限元分析功能，但是c o s m o s w o r k s 能对s o l i dw o r k s 生成 的零件和部件进行有限元分析，可以对零部件施加各种外力、压强、温度、重力、 乃至辐射。零件材料可有多种选择，可以是不同种类的钢铁、有色金属、非金属 6 硕士学位论文 等，也可以自定义材料，只要将材料的极限强度等资料输入系统，就可以通过软 件的分析得到零部件的应变、应力、形变等数据。因此，c o s m o sw o r k s 分析软 件是提供了对模型( 零件或装配体) 进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析 和优化分析的一整套解决方案【1 6 , 1 7 1 。 7 u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 第2 章u 形管式换热器制造工艺 u 形管式换热器主要由壳体、折流板、管束( 又称花板) 和顶盖( 又称封头) 等部件组成。如图2 1 所示，u 形管束焊装在管板上，插装在壳体内，管板两侧分 别由壳体与顶盖夹紧在中间，在夹紧面上有密封垫密封。顶盖和壳体上装有流体 进出口接管。沿着管长方向，常常装有一系列垂直管束的挡板，即所谓的折流挡 板。进行换热时，一种流体由顶盖的进口管进入，通过平行管束的管内，从另一 端出口接管流出，称为管程。另一种流体则由壳体的接管进入，在壳体与管束间 的空隙处流过，而从另一接管流出，称为壳程。管束的表面积即为传热面积。流 体一次通过管程的称为单管程，一次通过壳程的称为单壳程。由于u 形管式换热 器中通过的介质一般为流体，很容易在换热器的管束中结垢，从而使换热器的热 阻增加，大大降低了换热器的换热效果，综上考虑，故管束管径的最小值约为直 径1 7 r a m 1 8 1 。 管板 隔板 镥箱 封头 图2 1u 形管式换热器简图 u 形管换热器与其他类型换热器的最大区别是管束结构，在设计换热管布局 时应考虑换热管的最小弯曲半径r 与分程隔板槽两侧相邻管中心距s 的关系。管 径越大，最小弯曲半径就越大，大部分换热管的最小弯曲半径大于分程隔板槽两 侧相邻管中心距；且u 形管弯曲段的弯曲半径r 应不小于两倍的换热管外径，常 用换热管的最小弯曲半径r 可查手册选取1 1 引 2 1 各部分制造 2 1 1 壳体 1 壳体用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周 长偏为1 0m m ； 8 硕士学位论文 2 壳体内径在任何断面上的上偏差为3 5 r a m ，下偏差以不妨碍管束的顺利安 装与抽出为限； 3 壳体同一断面上最大直径与最小直径之差不得超过0 5 d n ，其绝对值不 大于4 5 m m ： 4 壳体的不直度不得超过壳体长度的1 ，但其绝对值不大于8 m m ； 5 壳体内部焊缝应修平： 6 换热器壳体的热处理要求按相关文献的规定，管箱必须进行热处理。 2 1 2 封头 封头中各种不相交的拼焊焊缝中心线间距离至少应为封头钢材厚度的3 倍， 且不小于1 0 0 m m 。封头由成型的瓣片和顶圆板拼接制成时，焊缝方向只允许是径 向和环向的。 2 1 3 管束 管束用于胀接时，管端应呈现金属光泽，其长度应不小于2 倍的管板厚度。 用于胀接的管束，其硬度要求如下： 1 管束的材料硬度值一般须低于管板材料的硬度值： 2 有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低管束的硬度； 如不能满足时，制造单位应采取措施予以保证。 2 1 4 管板 1 管板的孔直径为1 9 4 m m ，允许误差为0 2 m m ；折流板孔直径为1 9 6 r a m ，允许 误差为0 4 m m 。管板钻孔后的允许管桥宽度为5 3 8 m m ( 9 6 的管桥宽度必须大于 或等于此值) ，且最小孔桥宽度为3 1 5 m m ； 2 管板钻孔后应去掉管孔周围的毛刺，管板孔表面的光洁度不低于1 2 5 r a m ： 3 除不锈钢外，拼接后管板应作消除应力热处理。 2 1 5 折流板 折流板外圆表面粗度值不大于2 5 u r n ，外圆面两侧的尖角应倒钝。应去除折 流板上的任何毛刺；折流板钻孔后应去掉管孔周围的毛刺1 2 0 1 。 2 2 安装 2 2 1 管束的组装 管束的组装有以下要求： 1 拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换 热管； 2 穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹槽或划伤： 3 除管束与管板可以焊接连接外，其它任何零件均不准与管束相焊。 9 u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 2 2 2 管束与管板的连接 管束与管板的连接应符合下列要求： 1 管端与管板孔必须清理干净，不得有油污、铁屑、锈蚀。胀接的换热管管 端应清锈至呈现金属光泽，其清锈长度不得小于管板厚度的2 倍； 2 胀接完毕后，管束扩大部分的过渡区应无明显棱角。胀接的管板孔表面不 允许有影响胀接密封性能的缺陷，如贯通的纵向和螺旋向的刻痕。 3 检查完毕之后，需对管板管束胀接的地方进行圆周焊接固定。 2 2 3u 形管式换热器的整体组装要求 1 换热器零、部件在组装前应认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、 浮锈及其它杂物等； 2 装管束时应防止管束变形和损伤管束； 3 螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开1 2 0 度1 2 0 1 。 2 2 4 安装前准备 1 可抽管束换热器安装前应抽芯检查，清扫。抽管结束时，应注意保护密封 面和折流板。移动和起吊管束时，应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损 伤管束； 2 安装前一般应进行压力试验。当图形有要求时，应进行气密性试验； 3 地脚螺栓和垫铁。活动支座的地脚螺栓应装有两个锁紧的螺母，螺母与底 板间应留有l 3 m m 的间隙；地脚螺栓两侧均应有垫铁。设备找平后，斜垫铁可与 地脚螺栓合作。地板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死；垫铁的安装不应 妨碍换热器的热膨胀1 2 0 1 。 2 3 检验 2 3 1 无损检测 按要求对焊接接头进行射线、超声、磁粉和渗透检测，符合要求即为合格。 如有不允许的缺陷，应在缺陷清除干净后进行补焊，并对该部分采用原检测方法。 2 3 2 压力实验 换热器制成后应对管束与管板的连接接头、管程和壳程进行压力试验。目的 是在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，以 及检验密封结构的密封性能。 1 压力试验一般采用液压试验；对于不适合作液压试验的换热器，例如换热 器内部不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的换热器，可采用 气压试验。按相关标准对压力试验的要求，换热器在进行压力试验前，应校核壳 体和封头的应力，具体试验用压力数值按相关标准确定。 1 0 硕士学位论文 2 介质为易燃或毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏( 如 真空度要求较高时) 或管、壳程介质互漏会产生严重危害时，应在压力试验合格 后进行气密性试验1 2 0 1 。 2 4 制造工艺存在的盲点 可以从上述的u 型管式换热器的制造过程当中了解，管束和管板需要焊接。 众所周之，在焊后的冷却过程当中会在熔合区产生较集中的热应力，热应力是影 响强度和产生疲劳的重要原因，如果不对其进行相应的处理的话，将有可能产生 严重的后果，所以一般情况下，为了消除焊接后存在的应力集中现象都需将换热 器进行热处理；设计时应注意管板与换热管须有一定的硬度差，一般管板比换热 管硬度高h b 2 0 h b 3 0 2 1j 。当两者硬度相近时，可将管板或管束进行热处理，以 提高或降低其硬度。热处理是u 型管式换热器制造过程当中必不可少的一道工艺， 可是随着热处理之后，也许将会出现一个问题，热处理完后管板密封面会发生扭 曲变形，直径越大越明显，为了不影响密封性有必要对其进行修复。针对这个问 题，以现有的加工技术手段还没有办法可以对密封面进行二次加工，u 形管式换 热器的制造厂商一般都是采用密封垫连接，再用胀紧螺钉强行挤压来保证密封 性，如果采用胀紧螺钉还是无法保证密封性，产品就只能回炉重造，造成经济损 失，在密封形式上，采用热处理变形小的平面压紧密封结构。 2 5 本章小结 本章主要是对u 形管式换热器的制造工艺做了详细的描述，并且对制造过程 中存在的瓶颈问题进行分析。 1 l u 形管换热器密封面隹复专用装置的开筮研究 第3 章u 形管式换热器结构特点及布局方案的确定 换热器是广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻 工、食品、工程机械等行业的一种通用设备。收集罗列了以下部分图片，如图 3 1 ，32 ，3 t 3 所示： 国31 医药用u 形管式按热嚣 圈3 2 机械用u 形蕾式按热器 硬士学位论文 田3 3 匕工用u 骺蕾式按热器 虽然上进设备的外观和使用场合都不尽相同，但是他们的原理都是相同的 都是u 形管柬焊接在管板上面，如图3 4 所示。 田3 4u 形警式接播置核心田 根据上述资料，就制造工艺上看，影响密封面二次处理加工的关键部件是管 柬组装在管板后，管扳密封面的加工无法再次进行对制造过程及修复均造成重 大影响。所以解决管板密封面二次修复是开笈u 形管换热嚣密封面修复装备的主 要任务。 u 形管换热器密封面修复专用装置的开发研究 3 1u 形管式换热器管板部件的结构特点 u 形管式换热器管板的尺寸变化范围比较大，管板直径一般在01 0 0 0 r a m d 2 0 0 0 m m ，宽度一般在5 0 m m2 0 0 m m ，管束长度一般在3 0 0 0 m m - - 6 0 0 0 m m ， 如图3 5 所示。u 形管式换热器正是由于管束长这个结构组成上的特殊性从而造 成了u 形管式换热器制造，维护上的难题。就目前的而言，如果是非管束侧密封 面出现裂纹或是腐蚀泄露，大多数厂家采用的方法基本是离线处理法