液化石油调压器设计及试验验证优秀毕业论文.pdf

申请上海交通大学工程硕士学位论文 液化石油调压器设计及试验验证液化石油调压器设计及试验验证液化石油调压器设计及试验验证液化石油调压器设计及试验验证 院 系：机械与动力工程学院 工程领域：机械工程 交大导师：黄宏成 副教授 企业导师：申岳开 工程师 工程硕士：王增光 学 号：1090212013 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 2012 年年年年 05 月月月月 thesis submitted to shanghai jiao tong university for the degree of engineering master optimization and validation for a new lpg regulator m.d. candidate： wang zengguang supervisor（i） ： huang hongcheng supervisor（ii） ：shen yuekai speciality： mechanical engineering school of mechanical engineering shanghai jiaotong university shanghai,p.r.china may, 2012 上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书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。本人授权上海交通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。 保密保密保密保密 在在在在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 i 液化石油调压器设计及试验验证液化石油调压器设计及试验验证液化石油调压器设计及试验验证液化石油调压器设计及试验验证 摘摘摘摘 要要要要 调压器是液化石油安装的核心部分，它能够降低储存罐压力，并且 以稳定的压力， 稳定流量将液化石油气输送到消耗装置中。 f 公司一直致 力于向客户提供不断创新的设计方案、可靠的产品和优质服务为宗旨。 经过百余年的发展，在各种阀门和调压器的设计和制造方面领先于世界。 然而，近年来随着各个竞争对手对设计、制造以及服务的全面提高，对 民用的液化石油调压器一级调压市场上，逐渐占有一席之地。本文就是 在这个背景下，按照市场要求为目标，优化设计一款新型的液化石油调 压器。 本文首先通过对同类产品的性能研究分析，对新款的产品调压器需 要优化的目标提出具体的指标要求，即为流量、强度和使用寿命；在对 调压器的工作原理、液化石油气特性进行阐述后，着重于该三方面的研 究，对产品进行设计、开发、验证： 第一，通过分析调压器的工作、结构特性，罗列出所需确认的变量， 从系统性的角度考虑，找出各个变量的相关关系，建立系统的设计计算 表格，完成产品的系统设计； 第二，在理论设计的基础上，通过三维软件完成产品的结构设计， 同时利用 ansis 仿真软件对产品承压元件，即调压器的阀座和阀盖进行 强度分析； 第三，利用快速成型方法，完成样机的制作，并对之前的理论设计 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 ii 的流量进行实物验证； 最后，按照 ul 要求，在产品样品上，进行型式试验，特别是通过循 环测试，对产品的使用寿命进行验证，并最终将设计定型用于批量生产。 本文通过对该款的液化石油调压器的设计研究，不仅对 f 公司有着 实际的意义。同时设计的方法，过程性结论对于其他调压器的设计也具 有一定参考意义。 关键词关键词关键词关键词： 液化石油气、调压器、流量、ansis 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract iii optimization and validation for a new lpg regulator abstract regulator is the key component for lpg process system, which could reduce the pressure of tank and deliver lpg with stable flow capacity and pressure to the end user. f company is always focusing on providing innovative solution, reliable product and knight service. after more than one hundred development, f company has became the leader of designing and manufacturing various valves and regulator in the world. but, with the competitors dramatic development as aspects of design, manufacturing and service, in the market of first class residential lpg regulator, f company is losing its marketing share. the thesis states the progress of developing the new regulator under this background. at the beginning of this thesis, the detail and specified performance indexes with need to be optimized base on the existing product were figured out due to study the competitors products and the demand of the market, which is located in the flow capacity, the strength of the structure and the service period of the product. after analyzing the principles of regulator and characteristics of lpg, the author was focusing on the three specified performance requirements to design and validate the new product. the job contains but not limited the following: 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract iv first of all, all the variables need to identify were listed by studying and analyzing the principles and structure of the regulator. finding the internal relationship among the variables, and building the calculation spreadsheet to finish the systematic design; second, the structure design job with 3d software base on the previous theoretical study was completed. the simulation of components strength was performed with the software of anysis, especially on the 3d of body and spring cover; third, finished the fabrication of prototype with rp method, and performed the testing to validate the flow capacity on the prototype finally, the circle testing was performed on the samples in term of ul requirement. base the result, the new product was frozen for mass production. the study of develop the new lpg regulator is not only to bring a new product for f company, the method and related conclusion also could benefit for the other regulator design job. key words: lpg, regulator, flow capacity, ansis 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 v 目目目目 录录录录 摘摘摘摘 要要要要 . i i i i abstractabstractabstractabstract . iiiiiiiiiiii 目目目目 录录录录 . v v v v 符符符符 号号号号 表表表表 . iviviviv 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 . 1 1 1 1 1.1 课题的意义及国内外研究现状综述.1 1.1.1 课题的来源.1 1.1.2 课题研究的意义.1 1.2 液化石油调压器现有市场产品分析以及市场要求.2 1.2.1 世界主流厂商的供应商产品性能分析.2 1.2.2 市场新产品市场要求.3 1.3 研究目标与内容.3 1.3.1 研究目标.3 1.3.2 研究内容.3 1.4 论文安排.4 第二章第二章第二章第二章 液化石油调压器工作原理液化石油调压器工作原理液化石油调压器工作原理液化石油调压器工作原理. 5 5 5 5 2.1 引言.5 2.2 液化石油气成分分析.5 2.3 调压器工作原理.6 2.3.1 气体安全燃烧的条件.6 2.3.2 调压器分类.7 2.3.3 调压器工作过程.9 2.4 调压器工作性能要求分析.9 2.5 本章小结.10 第三章第三章第三章第三章 液化石油调压器性能计算模型研究液化石油调压器性能计算模型研究液化石油调压器性能计算模型研究液化石油调压器性能计算模型研究. 11111111 3.1 引言.11 3.2 阀口尺寸计算.12 3.3 调压器执行机构的设定.15 3.3.1 杠杆的传动比的设定.15 3.3.2 力矩方程.17 3.4 负载元件（弹簧的设计）.18 3.5 调压器性能设计计算表.20 3.6 本章小节.22 第四章第四章第四章第四章 阀体的结构设计以及强度仿真验证阀体的结构设计以及强度仿真验证阀体的结构设计以及强度仿真验证阀体的结构设计以及强度仿真验证. 23232323 4.1 调压器结构 3d 建模.23 4.1.1 onespace 介绍.23 4.2 阀体强度有限分析.23 4.2.1 有限元法概述.24 4.2.2 有限元分析过程简述.24 4.2.3 ansys 软件介绍 .26 4.3 分析结果阐述.27 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 vi 4.3.1 阀座的结构强度分析.27 4.3.2 阀盖的结构强度分析.32 4.4 本章小结.35 第五章第五章第五章第五章 产品样机制作以及流量性能验证产品样机制作以及流量性能验证产品样机制作以及流量性能验证产品样机制作以及流量性能验证. 36363636 5.1 引言.36 5.2 样机的制造方法介绍介绍.36 5.2.1 快速成型技术的概念和原理.36 5.2.2 调压器阀体、阀座的快速成型.39 5.3 实验方法内容.39 5.3.1 实验设备设置.39 5.3.2 实验目的与内容.40 5.3.3 实验结果.40 5.4 本章小结.41 第六章第六章第六章第六章 样品的循环试验验证样品的循环试验验证样品的循环试验验证样品的循环试验验证 . 42424242 6.1 引言.42 6.2 产品寿命验证.42 6.2.1 试验流程.42 6.2.2 实验设备设计.43 6.2.3 实验数据.43 6.2.4 实验结果.50 6.3 本章小结.50 第七章第七章第七章第七章 总结与展望总结与展望总结与展望总结与展望 . 51515151 7.1 总结.51 7.2 展望.51 参考文献参考文献参考文献参考文献 . 52525252 致致致致 谢谢谢谢 . 54545454 攻读硕士学位期间发表的学术论文攻读硕士学位期间发表的学术论文攻读硕士学位期间发表的学术论文攻读硕士学位期间发表的学术论文. 55555555 上海交通大学工程硕士学位论文 符号表 iv 符符符符 号号号号 表表表表 (若文中另有说明，则符号意义以文中说明为准) 变量 说明 变量 说明 dia s 膜片运行距离 disk s 密封垫移动距离 f k 流动参数 t 上游温度 1 p 入口压力 2 p 出口压力 o a 阀口面积 d a 膜片有效面积 l r 传动比 l k 锁紧率 0 p 大气压 d d 膜片直径 o d 阀口直径 s k 弹簧刚度 q 质量流量 c id 阀体外经 in s 密封垫压缩量 n h 弹簧常态工作高度 ro h 推荐弹簧自由高度 a hmin 弹簧最小高度 a hmax 弹簧最大工作长度 st f 设定压力时弹簧力 2 p 出口压力差 +dia s 膜片上升距离 dia s 膜片下降距离 c f 密封面闭合力 s f 弹簧力 x 弹簧压缩量 1 f 密封垫合力 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 - 1 - 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题的意义及国内外研究现状综述课题的意义及国内外研究现状综述课题的意义及国内外研究现状综述课题的意义及国内外研究现状综述 1.1.1 课题的来源 本课题来源于f公司工作需要，f公司一直致力于向客户提供不断创新的设计方 案、可靠的产品和优质服务为宗旨。自公司在1880年成立以来，该公司一直秉承该宗 旨，不断创新，在各种阀门和调压器的设计和制造方面领先于世界。然而，近年来随 着各个竞争对手对设计、制造、以及服务的全面提高，对民用的液化石油调压器一级 调压市场上，逐渐占有一席之地。而出于该调压器的使用寿命较长，f公司在面临竞 争对手新型产品上， 在性能以及成本方面面临极大压力。 为了能重新获得客户的信任， 夺回失去的市场份额，f公司急需要在该领域中，推出一款新型的调压器。 本文正是基于公司目前激烈的竞争现状，从流体理论分析，同时对产品结构优化 设计，以期开发出一款新型高效，并低成本的产品。提升公司产品的竞争力，进而顺 应激烈的市场竞争需要。 1.1.2 课题研究的意义 作为整个过程控制处理环节中核心部件 1，调压器工作原理，制造技术已经相对 成熟。但是，作为设计者在设计过程中，由于调压器的自身要求考虑的因素比较多： 1) 调压器控制的是流体压力变化。通常的流体有水蒸气，天然气，煤气，以及 液化石油气等等。需要考虑流体力学相关理论； 2) 调压器，特别是高压调压器，其本身强度涉及到安全性。需要设计者在研发 的过程中，必须考虑到自身结构问题。 基于调压器设计过程中，需要考虑的因素比较多。无论是国内还是国外设计，更 多地依据经验以及试验开展设计。这样研发过程，会造成多种负面因数： 1) 整体完成开发时间较长，设计者在设计过程中，顾此失彼，需要在后续试验 中反复验证； 2) 设计费用过高。在反复验证过程中，需要损耗大量的人力物力； 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 - 2 - 3) 调压器使用寿命，特别是家用型要求较长，容易在使用后期出现性能减弱， 甚至涉及安全性。 本文通过以一级液化调压器为目标，通过分析各种变量，建立数据模型以确保产 品性能，同时，通过三维软件以及仿真分析优化产品结构。在设计阶段将可能的风险 规避，最后以实物来验证所有的产品指标。 该项目的主要意义有： 1) 开发出新型的调压器，以期适应并重新占领市场份额； 2) 合理的设计验证过程，特别是构建出液化石油调器的设计计算模型，对于后 续的新产品的设计更新具有较高的参考意义 1.21.21.21.2 液化石油调压器现有市场产品分析液化石油调压器现有市场产品分析液化石油调压器现有市场产品分析液化石油调压器现有市场产品分析以及市场要求以及市场要求以及市场要求以及市场要求 1.2.1 世界主流厂商的供应商产品性能分析 在进行设计该款调压器之前，如表 1 所示，本文先对整个市场中同类的竞争者的 产品需要进行详细的分析对比，详细规划出 f 公司现有的产品与竞争对手的差距。从 而为新开发的产品制定性能目标。 表 1 市场同类产品性能列表 品牌 f rego sherwood marshall gas 型号 r312h-21 lv3303tr 740hp r1520 接口 ” x ” ” x ” ” x ” ” x ” 流量 mbtu/hr 0.9 (p1 30, droop 20%) 1.5 (p1 15, droop 20%) 1.0 (p1 25, droop 20%) 1.5 (p1 30, droop 20%) 表压接口 none 1/4” out 1/8” out 1/8” out 尺寸 4.1 x 3.3 x 3.7 3.4 x 3.4 x 4.6 4.5 x 4.1 x 3.3 5.0 x 3.9 x 3.4 重量 1 lb. 9.5 oz. 1 lb. 7.4 oz. 1 lb. 2.8 oz. 13.2 oz. 材料 zinc zinc zinc aluminum 使用寿命 15 yr 25 yr 15 yr 15 yr 出场地 墨西哥 美国 意大利 法国 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 - 3 - 从上表可以发现，f 公司现有的产品 r312h 在同类产品市场上，从产品的性能， 特别是从流量指标上看，已经远远落后于其他竞争对手。 1.2.2 市场新产品市场要求 f 公司的市场部门通过对市场调查，同时参考原有产品的性能，对于市场该类 产品需求，即对新产品的要求，需要如下性能的更新： 1) 产品的流量性能要求：基本要求 1.05 mbtu/hr，目标为1.2 mbtu/hr； 2) 产品的使用寿命要求为 20 年； 3) 产品的重量要减轻，阀体需要采用铝合金以替代原先的锌合金，但要保证 产品强度。 1.3 1.3 1.3 1.3 研究目标研究目标研究目标研究目标与与与与内容内容内容内容 1.3.1 研究目标 本文研究的目标是：以该款新型液化调压器研发为背景，侧重于市场要求，研究 调压器的性能设计模型建立， 结构强度的模拟仿真， 最后通过试验方法验证设计成果： 1) 通过设计，验证。确认设计的产品能满足市场要求； 2) 建立液化石油调压器的优化设计过程， 计算模型， 为后续产品设计提供参考。 1.3.2 研究内容 该论文建立以上述的研究目标为导向，侧重于相对于已有产品性能基础上，对调 压器流量，结构强度，使用寿命性能优化设计研究。并按照新产品开发流程，强调从 理论研究，到实物验证。主要研究工作，包括以下内容： 1) 调压器的工作原理研究 a) 对液化石油的成分进行分析 b) 对调压器的工作原理进行研究 c) 对调压器的工作性能进行分析 2) 液化石油调压器的性能系统理论计算分析 a) 对需要设计的调压器的变量进行罗列分析 b) 分析研究各种变量的相互逻辑关系 c) 建立性能设计的参数模型 3) 设计的调压器的结构强度仿真分析 a) 研究按照性能分析结论确定结构尺寸建立模型 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 - 4 - b) 用 anasys 仿真软件对产品结构上进行强度研究并作结构优化，以确保产 品能满足实际要求 4) 产品性能验证分析 a) 样机制作方法以及性能试验验证 b) 产品定型型式试验研究 1.4 1.4 1.4 1.4 论文论文论文论文安排安排安排安排 本文主要是对设计一款新型的一级液化石油调压器为目的，以产品的性能和结 构强度为主要设计要求进行大量理论分析，并在最后通过实物试验验证设计结果。具 体工作如下： 第一章 绪论，介绍了课题来源、型号背景及研究意义，提出课题的研究目标及 内容，同时介绍了论文的内容安排。 第二章 液化石油调压器工作原理，通过介绍液化石油气的成分以及调压器的工 作原理，在说明液化石油器设计的准则 第三章 调压器性能设计模型，通过罗列调压器的设计变量，分析各种变量的相 关关系，建立从性能出发，建立设计模型数据计算表。 第四章 调压器结构强度理论分析以及优化，在第三章的分析基础上，通过三维 软件建模，并通过仿真软件对结构强度进行分析优化。 第五章 调压器样机试验验证，介绍样机的制作方法，制定试验方法，通过试验 数据，验证设计方案。 第六章 调压器型式试验验证，按照 ul 标准，主要阐述验证设计的产品的寿命 性验证 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 液化石油调压器工作原理 5 第二章第二章第二章第二章 液化石油调压器工作原理液化石油调压器工作原理液化石油调压器工作原理液化石油调压器工作原理 2.2.2.2.1 1 1 1 引言引言引言引言 本文研究的液化调压器为一级调压器， 其作用是将液化石油储蓄罐中高压液化气 体转化成次压的液化气 2，以供二级调压器的再处理。为了能更好地理解液化石油调 压器的工作性能， 本章将从液化石油调压器处理介质以及工作原理进行详细阐述， 分 析。 2.2.2.2.2 2 2 2 液化石油气成分分析液化石油气成分分析液化石油气成分分析液化石油气成分分析 液化石油气是一种低碳烃类化合物的混合物 3，因其来源和制造工艺的不同，其 所含的成分也不尽相同，主要成分有：丙烷（c3h8） 、丙烯（c3h6） 、丁烷（c4h10） 、 丁烯（c4h8）及少量的乙烯（c2h4） 、戊烷（c5h12）等，这些碳氢化合物常温常 压下呈气态，而当压力升高或温度降低时，又很容易转化为液态，具有气体和液体的 性质，因此，习惯上称之为液化石油气。根据液化石油气标准 （gb11174-1997） 规定： 为确保安全使用液化石油气， 要求液化石油气具有特殊臭味。 必要时加入硫醇、 硫醚等硫化物配制的加臭剂，加入量不得超过 0.001（m/m） 。 1、液化石油气气态时的特点 （1）比重比空气大 1.52.0 倍，在大气中扩散较慢，易向低洼地区流动； （2）着火温度约为 430460，比其它燃气低； （3）爆炸极限较窄，约为 1.59.5； （4）热值高； （5）当温度低于露点温度或压力增加时，会出现凝液； （6）液化石油气的蒸汽压力较大，随温度的升高而增大。 2、液化石油气液态时的特点 （1）体积膨胀系数比汽油、煤油的大，约为水的 16 倍； （2）比重约为水的一半。 3、液化石油气的危险性分析 （1）易燃易爆性 评定气体物质火灾危险性大小的主要标志是爆炸浓度下限和自燃点。 爆炸浓度下 限和自燃点越低，火灾危险性越大。液化石油气的爆炸爆炸下限仅为 1.5，一旦泄 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 液化石油调压器工作原理 6 漏很容易在空气中达到这个浓度， 即使是少量的泄漏， 由于液化石油气的比重比空气 大，也会在低洼处汇集并与空气混合形成爆炸性混合物，仍有爆炸的危险。液化石油 气的自燃点约为 430460，最小点火能量仅为 0.3mj，极易自燃或被引燃。 （2）膨胀性 液化石油气具有热胀能缩的性质， 受热膨胀系数极大， 约相大于水的 1016 倍。 （3）汽化与扩散性 液化石油气在常温下易汽化， 但气态液化石油气在空气中不易扩散， 这与它的比 重有关。 液化石油气主要组分在液态时的沸点很低， 在常温常压下都是气态， 储存在钢瓶 （贮罐、槽车）中的液化石油气一旦泄漏出来，在常温常压下就会迅速由液体汽化为 气体，体积扩大约 250300 倍。液化石油气主要组分在气态时的比重比空气重，约 为空气的 1.52.0 倍，所以气态液化石油气在空气中不易扩散。 （4）带电性 液化石油气是不导电的绝缘体，当液化石油气在管道中流动，或在运输中摇晃， 以及从容器、设备、管道或破裂处喷出时，与管壁、容器、管口和破损处摩擦，都能 产生静电。实践证明，液化石油气中含的杂质成分越多、喷速越高或流速越快、流量 越大、流程越长，产生的静电荷就越多。当静电电压达 350450v 时产生的火花放 电就能引起液体蒸汽燃烧爆炸；而液化石油气在管道中流动时一般能产生 9000v 以 上静电电压，其放电火花足以引起液化石油气气体燃烧爆炸。 （5）腐蚀性 由于原油中含有硫化物，所以液化石油气中含有少量的硫