换热器维修用抽芯工作台纵梁的模糊优化设计

换热器维修用抽芯工作台纵梁的模糊优化设计 换热器维修用抽芯工作台纵梁的模糊优化 设计 第36卷第5期 2007年9月 石油化工设备 PETR0CHEMICALEQUIPMENT VO1.36NO.5 Sept.2007 文章编号:1000—7466(2007)05003503 换热器维修用抽芯工作台 纵梁的模糊优化设计 孙春一,刘峰 (辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001) 摘要:研究了现用抽芯设备的优缺点,论述了抽芯工作台的结构与工作原理,介绍了纵梁的结构设 计和模糊优化设计,结果表明,通过模糊优化设计可使纵梁的质量大为减轻. 关键词:换热器;维修;抽芯工作台;纵梁;模糊优化设计 中图分类号:TQO51.501;TQ050.7文献标志码:A FuzzyOptimizationDesignoftheVerticalBeamforExtractingCore WorkSetonHeatExchangerMaintenance SUNChun—yi,LIUFeng (SchoolofMechanicalEngineering.LiaoningUniversityofPetroleum& ChemicalTechnology,Fushun113001,China) Abstract:Thestudyofusingmeritandshortcomingoftheextractingcoreequipments,discus — sionoftakingoutthestructureandtheworkprincipleoftheextractingcoreworksetareintro— duced.Theintroductionoftheverticalbeamstructuredesignandfuzzyoptimizationdesignis giv— enaswel1.Thedesignresultshowedthatthequalityoftheverticalbeamiseasedgreatlyforfuz zy optimizationdesign. Keywords:heatexchanger;maintenance;extractingworkset;verticalbeam;fuzzyoptimiza — tiondesign 目前,各炼油厂或化工厂一般采用半机械化抽 芯机进行换热器的维修,如框架式螺旋增力抽芯机, 框架式卷扬抽芯机等,这些抽芯机构的缺点是:?抽 芯机不能独立工作,必须依靠大型吊车配合才能完 成抽芯作业.?抽芯机长达9m,无论是运输还是 操作都不方便.?抽芯机连同管束在空中的摇摆度 很大,致使工人作业十分困难,安全性也比较差.? 抽芯过程中需2次停机,人工调整钢丝绳的位置,抽 芯时间长,占用工时比例大,自动化程度比较低.文 中介绍一种自行设计的新型抽芯机及其纵梁模糊优 化设计. 1结构及原理 笔者设计的新型换热器抽芯高空作业车的结构 示意图见图1.该作业车的设计分为主体金属结构 设计和抽芯工作台设计2部分_1].图1中的双点 划线为非工作状态,实线为工作状态.抽芯工作台 设置在抽芯框架的下面,与框架一起沿塔段上下移 动,避免了使用吊车配合时存在的弊端.抽芯工作 台的长度方向是在图1垂直纸面的方向,在此方向, 工作台分成3个部分,中间部分不动,两边部分用液 压缸折叠,避免了抽芯机长度大的缺点.抽芯工作 台操作时的示意图见图2,先将抽芯工作台沿主体 收稿日期:200703—26 基金项目:辽宁省高等学校科研项目(20051169) 作者简介:孙春一(1953一),男,山东乳山人,教授,硕士,从事化工设备的教学及科研 工作. 石油化工设备2007年第36卷 塔段滑道拉至与塔台换热器相当的位置,由横向运 动丝杠进行工作台的对中微调,展开两边折叠部分, 利用工作台前端的2个纵向液压缸调整工作台与管 束平行方向的位移,同时将活塞杆上安装的半月板 与被检修的换热器壳体法兰连接,这些完成以后,就 可以进行抽芯工作了.抽芯时,由液压马达带动卷 扬拖动工作台快速接近换热器,因抽芯的初拉力较 大,所以初始阶段由主液压缸抽出管束,当管束被抽 出1m左右时,切换为卷扬快速抽出,抽出适当的 距离之后依次套上2根缆索固定管束,继续抽出过 程,直至管束脱离壳体,工作台将管束放到地面,完 成抽芯工作.送回管束的动作与此相反.抽芯操作 时,塔段和抽芯框架不动,工人作业时操作省力,安 全性比较好. 1.上塔段2.下塔段3.抽芯工作台4.汽车底盘 图1换热器抽芯高空作业车结构示意图 1.管束2.钢丝绳3.液压马达4.燕尾槽导轨 5.抽芯工作台折叠液压缸6.横向运动丝杠7.抽芯框架 8.纵梁9.主液压缸10.缆索 图2抽芯工作台操作示意图 新型抽芯工作台的设计计算部分主要包括纵梁 设计,液压传动及传动机构设计,微调机构和其它零 部件设计.文中主要讨论纵梁的模糊优化 设计. 2抽芯工作台纵梁模糊优化设计 抽芯工作台的主体为2根纵梁,材料选用热轧 工字钢,材质Q235一A,每根纵梁长为6.5m,它们通 过燕尾形导轨装在抽芯框架上.虽然纵梁材料选用 工字钢,通过力学计算可求出几何尺寸,但计算中所 求取的应力,刚度和结构尺寸限制具有模糊性,导致 质量不一定最小,所以借助模糊优化设计来解决这 一 问题. 2.1设计变量及目标函数 2.1.1设计变量 纵梁的长度已经确定,它与截面面积无关.工 字钢的截面面积一定,则单位质量也就确定了.所 以纵梁的独立设计参数为梁的横截面宽度b和梁横 截面高度h,故设计变量取为: {X}一(b,h)=(,3-,)(1) 式中,为梁的横截面宽度,z.为梁的横截面高度, Film. 2.1.2目标函数 纵梁截面面积最小为目标函数,有: W()一z12—min(2) 2.2模糊约束条件 2.2.1强度约束和刚度约束 由于2根纵梁对称于纵向中心线,所以将它们 看成一个梁,计算得到的应力除以2即可.对整个 梁的受力进行可知,在抽芯的过程中,每一时刻 梁的受力情况都是不一样的,管束全部抽出且对称 于纵梁的中心时,纵梁与换热器壳体脱离接触时的 应力为最大.通过求取支反力,绘弯矩图可确定最 大弯矩和挠度的计算公式. 强度条件: .—— 6748440000 6rnax,——————...—一 lZ2 ?[g](3) 式中,为最大应力,[g]为模糊许用应力,MPa. 刚度条件: 一 ?[力(4)1,,一一 式中,-厂为最大挠度,Ef]为最大许用挠度,mm. 2.2.2几何尺寸约束 尺寸设计变量必须在给定的范围内取值,即: 1?1?1,2?2?2(5) 上述各式中,"?"表示模糊约束. 2.3模糊约束的隶属函数 强度条件,刚度条件的隶属函数: f1(O??) ()一{一三享(??)(6) 【0(其它) 尺寸约束的隶属函数: 第5期孙春一,等:换热器维修用抽芯工作台纵梁的模糊优化设计 2(z)一 1(?z?) 1一(?z?) 1+再X--XL(? 0(其它) 式中,,分别为约束上边界的上限,下限值,, 分别为约束下边界的上限,下限值. 2.4模糊约束的非模糊化处理 一 般地,约束条件非模糊化后按下式求出: z?z+(z一z)(1--a)] z?z一(z一z)(1一a)J 式中,==:1,2,…,忌,忌为约束条件个数;a为最优水 平值. 把模糊优化问题等价转化为最优水平截集上的 普通优化问题处理,关键是求出与最优水平截集对 应的最优水平值a,a即为模糊约束的最优隶属度. 按模糊综合评判法,设备择集a一(0.0,0.1,0.2, … ,1.0),因素集u一(",".,…,"),影响a的模糊 因素及其等级见表1. 表1影响因素及等级划分 设纵梁的设计者水平较高,制造厂家水平较高, 材质好,属重要结构,使用工况较差,于是得单因素 评判矩阵: R== 0.00.00.30.70.91.00.90.80.50.30.1 0.00.00.30.70.91.00.90.80.50.30.1 0.10.30.60.91.00.80.60.30.10.00.0 0.70.91.00.80.70.50.40.20.10.00.0 0.00.10.30.60.91.00.80.60.50.20.1 按各因素的重要程度给出权重集: Q一(0.2,0.3,0.2,0.25,0.15), 于是得模糊综合评判集: A—Q?R==:(0.195,0.3,0.565,0.82,0.92,… 0.935,0.79,0.6,0.36,0.18,0.065) 由加权平均法求最优水平值为: 1111 a=?aia/?a一0.4572 式中,a为模糊综合评判集A中的各项,如a一 0.195,a2—0.3,a3—0.565,…. 根据实际情况,由增扩系数法确定的模糊约束 上,下限值见表2. 表2模糊约束边界上,下限值 把求出的a和表2中的值代入式(8),得到非模 糊化的约束条件,采用复合形法求解,解出圆整后 选择16号热轧工字钢(符合GB706—88),其b一 88mm,h=160mm,截面面积为26.131cm.,理论 质量20.513kg/m.普通设计时选择18号热轧工 字钢,其b一94mm,h一180mm,截面面积为 30.756cm,理论质量24.143kg/m,模糊优化后的 理论质量比普通设计的理论质量减轻15.04oA. 3结语 纵梁是抽芯工作台的重要组成部分.设计纵梁 时应当充分考虑各设计参数离散性的影响,应用模 糊优化设计对纵梁进行优化,从而可以使理论质量 大为减轻.在设计作业车的其它结构时也可以采用 此方法. 抽芯工作台的设计使作业车集起重,抽芯,行走 3大功能于一体,实现了抽芯设备整机一体化,改变 了依赖吊车配合作业的落后局面,对提高石化企业 检修自动化程度,检修效率以及经济效益具有实际 意义. 参考文献: [1]赵恒华,王墅.高空抽芯作业车设计[J].石油化工设备, 2002,31(1):33-35. E2]赵恒华,赵广杰,张燕.现代换热器抽芯设备的研制[J].抚顺 石油学院,2003,23(4):31-34. E3]兰州石油机械研究所.换热器(中册)[M].北京:烃加工出版 社,1988. E43范钦珊.材料力学[M].北京:清化大学出版社,2005. Es]蔡春源.机电液设计手册EM].北京:机械工业出版社,1997. E63陈良玉.机械设计基础[M].沈阳:东北大学出版社,2000. E7]黄洪钟.模糊设计EM].北京:机械工业出版社,1999. (杜编)