散装物料运输车罐体结构设计及焊接工艺优化毕业论文

1、散装物料运输车罐体结构设计及焊接工艺优化摘 要随着现代物流业的发展，节能、高效、环保的散装物料运输车（散装水泥运输车）得到了较快的发展。本文通过对散装物料运输车罐体的工作原理进行分析研究，针对其结构设计和焊接工艺现状提出具有一定工程应用价值的工业生产优化方案。本文首先从散装物料运输车的应用特点出发，设计了满足工程应用的相应罐体结构，并选择实用经济的材料Q235A作为其基本材料，罐体结构采用圆筒加椭圆形封头结构，罐体焊缝采用纵向布置。具有较大容积比且能有效简化通体制造工艺。针对目前散装物料运输车生产的散装物料运输车的罐体结构设计和焊接工艺现状，分析其存在的问题与不足，找到问题的关键所在，根据散装

2、物料运输车的工作原理，结合利用所学的材料力学、焊接工艺学、金属学与热处理以及机械设计制造工艺知识分别对其进行研究分析，提出合理的处理方法以及具体的优化方案，经实际分析和现场试运行状况比较，发现该优化方案实用性强，能有效提高整车效率，质量保证更完善，具有一定的工程应用前景。关键词：罐体结构设计,焊接工艺,焊缝布置BULK MATERIAL TRUCK TANK STRUCTURAL DESIGN AND WELDING PROCESS OPTIMIZATIONABSTRACTWith the development of modern logistics industry, energy sav

3、ing, efficient, environmentally friendly materials in bulk tank truck (bulk cement truck) have seen significant development. KEY WORDS: tank structural design, welding process, welding arrangement 目录摘 要ABSTRACT目 录前言1第1章 罐体形状与外部结构尺寸的设计31.1 散装水泥车的工作原理及结构简图31.2 罐体及封头设计31.2.1 罐体形状设计确定41.2.2 封头形状的选定4第2章

4、罐体内部内部结构的设计72.1 气室的设计72.2 隔舱板设计72.2.1 隔仓板设计的理论分析82.2.2 隔仓板设计的计算公式11第3章 流化床的设计143.1 流化床的结构设计143.1.1 边滑板设计143.1.2 气体分布板的设计143.1.3 流态化元件的设计153.2 流化床各结构尺寸计算163.2.1 罐体部分边滑板以及气体分板尺寸计算163.2.2 气室各部分流板尺寸计算173.2.3 边滑板及气体分布板支撑的计算183.2.4 封头部分滑板的尺寸计算19第4章 罐体各结构部分的材料选定及设计214.1 罐体结构的选材214.1.1 罐体壁厚的设计224.1.2 罐体壁厚度的

5、公式计算234.2 封头材料的选择23第5章 罐体焊缝布置工艺优化245.1 罐体焊缝布置工艺现状245.2 罐体焊缝方向改变的可行性分析25 筒体承压状态下钢板的受力分析255.2.2 设备可行性分析265.3 罐体制作的新老工艺对比265.3.1 罐体制作新老工艺对比26 罐体制作新老工艺对比分析26第6章 罐体焊接工艺工艺优化316.1 罐体变形量大原因分析316.1.1 罐体制作新老工艺对比316.1.2 焊接变形种类326.2 罐体焊接变形原因分析及优化方案336.2.1 罐体变形原因分析336.2.2 控制钢结构焊接变形的原则与方法336.2.3 具体改进方案34结论35谢 辞36

6、参考文献37外文资料翻译39前言散装物料运输车（气卸散装物料车）是运输并能气卸散装物料（例如水泥）的专用汽车。它是在定型汽车底盘上装置一个散装物料密封容器及附件和一台空气压缩机。目前国内散装物料运输车九成以上是针对散装水泥运输设计，所以本文亦主要针对散装水泥而设计。故在此以散装水泥运输为例说明其工作原理：空压机以汽车发动机为动力，压缩空气使流态化床上的水泥流态化，并在一定压力下通过管道将水泥输送到一定高度和水平距离的水泥塔内。使用气卸散装水泥车不仅可以提高水泥装卸的机械化水平节约劳动力，减轻劳动强度，改善工作条件，而且可以减少水泥损耗，降低施工成本，保证水泥质量。实践证明，与袋装水泥搬动相比，

7、其装卸效率可提高15倍以上，水泥损失减少约4%，具有明显的社会经济效益。在目前我国木材资源贫乏，能源紧张的情况下，推广使用气卸散装水泥车有着十分重要的现实意义。推广散装水泥利国利民,其益处之多已被越来越多的人所共识。气卸散装水泥车是供应散装水泥的主要运输工具,其质量的优劣对于能否推动散装水泥的发展,延长车辆的使用寿命,降低油耗和提高运输效率及经济效益具有直接的影响,所以优化散装水泥车的结构设计,提高散装水泥车的性能指标,是加速散装水泥发展的重要一环。卸料速度和剩余率是气卸散装水泥车的两个专业性能指标。机械工业部部标规定,在垂直高度15m ,水平距离5m的条件下卸料,平均卸料速度不小于1.1t/

8、min,剩余率不大于0.4%。换言之,优化结构设计的目的是为了最大限度地提高卸料速度和降低剩余率。实际上,衡量一个水泥车的专业性能指标的高低,可以在卸料时通过压力表这个“窗口”加以判断,如果卸料时稳压时间越长,降压时间越短,说明最佳卸料状态的时间长,卸料性能指标高,反之卸料性能指标就低。罐体是气卸散装物料车盛装物料的容器，其形状、流态化床、有效容积和总容积等直接影响着气卸散装物料车的两个重要专业性能指标 卸料时间和剩余率，因此，罐体设计是一项非常重要的工作。而合理科学的焊接工艺是实现设计性能的必要条件。因此，罐体设计以及焊接工艺的制定是一项非常重要的工作。本文针对目前国内散装物料运输车设计工艺

9、现状，展开广泛调研，对散装物料运输车的罐体的隔仓板进行优化设计,计算出最合理的隔仓板高度，使卸料速度和剩余率均得到明显改善；对罐体的焊缝布置进行优化，由原来环缝布置改为纵缝布置，提高罐体直线度，调高生产效率；在流化床设计方面，将支撑和边滑板合为一体，减少焊接工作量，提了高生产效率。总而言之,国产散装水泥车制造业起步晚,发展慢,与国外一些发达国家相比存在着很大的差距,诚望同行业间多多开展技术交流,加强合作,潜心研究，共同发展,为我国散装水泥事业的发展提供优质的产品和优良的服务。第1章 罐体形状与外部结构尺寸的设计1.1 散装物料车的工作原理及结构简图目前国内市场上的散装物料车主要由汽车底盘(东风

10、153系列，东风前四后八，天龙前四后八，解放前四后八和福田前四后八等底盘)、罐体总成、管路系统及传动装置等组成，工作动力从汽车变速箱中引出，通过取力器传动装置驱动空压机，产生的压缩空气经控制管路进入气室内，使罐内粉粒物料产生流态化现象。当压力达到0.196Mpa时，打开出料蝶阀，实现卸料。罐体总成主要由筒体、加料口、流态化床、出料管总成、进气管及其它附件组成，如图1-1所示。罐体为直筒圆柱式结构，能实现埋弧焊接，筒体采用45mm钢板卷制而成，两端采用56mm厚标准椭圆封头，具有整体强度高、刚性好、承压好、使用性能好等特点。罐体为单仓两气室式结构，罐内流化床宽度与布置的合理，能有效的缩短卸料时间

11、、提高罐体的容积利用率，降低了剩灰率；在罐体顶部开有两个进料口，打开进料口人孔盖一方面可以向罐内加料，另一方面在罐内需要检修时方便人员进出。图1-1 罐体总成1.筒体2.加料口3.出料管总成4.流态化床5.进气管1.2 罐体及封头设计1.2.1 罐体形状设计确定罐体的结构主要有立式罐和卧式罐二大类。立式罐往往是将两个流化罐装在普通汽车上，由于其重心较高，装载量较少所以目前已不采用；卧式罐一般是将一个圆柱形罐体横卧在普通汽车上，由于其重心较低，装载容量大，对于汽车来说，载荷布置合理，所以被广泛采用。卧式罐又分斜卧式罐体和平卧式罐体。斜卧式罐体具有结构简单、容积利用率高、卸料快及残留量低等优点。但

12、存在着重心还是较高、罐体长度受车辆允许高度的限制等缺点，所以，仅在装载量为左右的中型车上使用较多平卧式罐体因其直径参数在车辆允许的宽度和高度上可以得到最合理的选择，在长度参数上则可根据直径和车辆允许的载荷确定，且能满足车辆的载荷分配要求。因此，平卧式罐体在小型和大型散装水泥输送车上应用最为广泛。 封头形状的选定目前汽车生产单位封头主要外购，风头形状主要有平底封头、蝶形封头、椭圆形封头、球形封头，结合散装粉粒物料运输车的具体情况（主要考虑增大有效容积和减小应力），将碟形封头和椭圆形封头作为待选对象。碟形封头又称带折边的球形封头（见图1-2），由几何形状不同的三个部分组成：中央是半径为的球面，与筒

13、体连接部分是高度为的圆筒体（直边），球面体与圆筒体由曲率半径为r的过渡圆弧（折边）所连接，碟形封头在旧式容器中采用较多，现已被椭圆形封头所取代。图1-2 碟形封头结构简图椭圆形封头是中低压容器中使用得最为普遍的封头结构形式，它一般由半椭球体和圆筒体两部分组成（见图1-3）。半椭圆体的纵剖面中线是半个椭圆，它的曲率半径是连续变化的。椭圆形封头的深度取决于椭圆长短轴之比（即封头直径与封头深度的两倍2h之比）。椭圆长短轴之比越大，封头深度越小。标准椭圆封头的长短轴之比为2，即封头深度为其直径的1/4。图1-3 椭圆形封头结构简图其具体比较如下：椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成，直边段的作用是避免

14、封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形少的多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。蝶形封头是带折边的球面封头，由球面体、过渡环壳和短圆筒三部分组成，从几何形状看，蝶形封头是一不连续曲面，在经线曲率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其他部位，故受力状况不佳。但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制蝶形封头的刚模加工简单，使蝶形封头的适用范围较为广泛。另外还有半球形封头

15、和球冠形封头：受内压的半球形封头在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒的一半，故从应力分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，直径小时整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。半球形封头常用在高压容器上.球冠形封头是部分球面与圆筒直接连接，因结构简单，制造方便，常用作容器中两独立受压室的中间封头，也可用作端盖。由于球面与圆筒连接处没有转角过渡，所以在连接处附近的封头和圆筒上都存在相当大的不连续应力，其应力分布不甚合理。椭圆封头受力好这是毋庸置疑的;大家一般都选用它，但是在你需要严格控制封头高度的时候碟形封头是一个不错的选择，他可以比椭圆封头的高度小一些到

16、抵消多少根据尺寸定（比椭圆封头浅，这里严格控制高度个人认为是比如安装需要等等，碟形封头好加工。1 应力分布情况：在直径、壁厚、设计压力相同的条件下各种封头应力分布友好到坏的顺序是：半球形、椭圆形、蝶形、锥形、球冠形、平板形。椭圆形封头的最大应力值和与其相连接的圆筒体中的最大应力值相等，便于筒体强度设计；碟心封头有两处连接边界，受力不及椭圆形。2 金属消耗量：在相同设计条件下，各种封头的金属消耗量按下列顺序依次增大：半球形，椭圆形，蝶形，平板形，综上所述，椭圆形封头综合性能优于蝶形。综合技术难度、使用性能以及成本等各方面因素，选定为椭圆形封头。第2章 罐体内部内部结构的设计2.1 气室的设计卧式

17、单车散装水泥罐体一般采用两个或者三个气室的结构，一般是将罐体等分为两段或者三段，以隔舱板隔开，每段有一个气室，彼此密闭而不相通。公用同一管道输送压缩空气，进气口之间设有两个阀门，所以可实现两（三）个气室单独或同时充气，以适应不同情况，提高效率。如图2-1所示。1封头；2罐体纵焊缝；3气室1；4封头与罐体对接焊缝；5气室2；6隔舱板。图2-1 双气室结构图2.2 隔舱板设计大吨位散装水泥车圆柱形罐体内部设计一般采用分仓结构形式，仓与仓之间用隔仓板（非全封闭式）隔开，以双仓为例，如图2-2。因此，隔仓板结构尺寸的设计就成为罐体设计中必不可少的内容。但隔仓板设计并非仅仅出于考虑罐体强度的需要，隔仓板

18、设计包括以边滑板和流化床为界的上下两个部分，其中，上部分a段的设计实质是确定隔仓板高度。三舱式罐体与两舱式罐体原理相同，以两舱为例，对适当高度的隔仓板的功能进行分析，并列出隔仓板的高度计算式。图2-2 隔仓板简图 隔仓板设计的理论分析先分析双仓式罐体采用两种典型而且简单的卸料程序所得出的结果。程序一：双仓的两条出料管路分别卸料。两条出料管路分别卸料指在一个仓先行卸料完成后再卸另一个仓的物料，最后进行短暂的清仓。设整个卸料过程中前仓进气阀一直开通（或在需要时打开，结果一样）。打开后仓卸料阀，先进行后仓卸料作业，待后仓卸料完成后，前仓剩余的物料状况见图2-3。图2-3 前仓剩余的物料状况由于卸料过

19、程虽然是一种气力输送过程，但仓内的物料没有因穿过流化床的气流作用而呈气化或液体状态实际上只有极少一部分物料呈气化状态，并且，由于后仓物料的逐渐减少使气流更易于穿过气流阻力较小的后仓流化床，所以，前仓剩余物料的表面为图示状况而非水平面。这致使在随后关闭后仓进气阀进行前仓卸料作业的过程中，前仓一部分物料因穿过其流化床的气流的作用流入到后仓，形成了图2-4所示的卸料结果。图2-4 分仓卸料结果再分析隔仓板a段高度为零时按程序一进行卸料作业的过程，便会得出图2-5所示的卸料结果。图2-5 a段高度为零时分仓卸料结束状态程序二:双仓的两条出料管路同时卸料。在此，先选择隔仓板段高度为零的罐体进行卸料。根据

20、流体力学原理，由于双仓式的罐体的两条出料管路属于并联管路，在两条管路同时卸料时，其流体在各条管路中的阻力损失相等，即 （式2-1） 式中：质量流量（吹卸效率）管路长度管路直径设： 则= （式2-2） 根据（2-2）式，两条出料管路同时卸料时后仓出料管中物料的质量流量是前仓K的倍。由于这一关系，便产生了图2-6所示的卸料结果。图2-6 a段高度为零时双仓同时卸料结束状态以上介绍的两个卸料程序除产生了非理论设计确定的剩余物料之外还出现了不是连续集中卸料的工况，即在开始卸料直至后仓卸料结束的过程中，前仓一部分物料陆续流人到后仓，其流入量随后仓物料的逐渐减少而增加。这导致了在后仓卸料作业的结束时刻仍然

21、有一些物料断续流入已裸露出来的出料口理论上，出料口一旦裸露出来，卸料作业即告结束，这使表示卸料状况的各种特征信号含混，操作者难以正确判断并进行准确的操作，最后不得不人为延长作业时间，其结果是吹卸效率降低，剩余量增加。这一现象的实质是流过各仓出料口的物料在罐内并非对称和均匀地分布在出料口两侧的流化床上。对双仓式罐体而言，因其各仓的流化床下面是单进气室结构，只有一条进气管路，它不像普通的单仓式罐体，其出料口两侧的流化床下面对应着两个独立的进气室和两条进气管路。所以，双仓式罐体不能通过进气控制来平衡每个仓物料的不对称和不均匀的分布。现在，仍选择程序二进行卸料作业，但需要科学地设计一个隔仓板，以挡住因

22、两仓物料下降速度不同产生料位差而引起的物料流动，见原理图（图2-7）。此时，各仓的物料相对于出料口呈对称和均匀分布，所以在各仓卸料结束时，就会看到特征清楚指示明确的信号，卸料过程就会表现出连续、集中、流畅的理想情景。图2-7 隔仓板高H时卸料状态 隔仓板设计的计算公式设隔仓板高度为已知，罐体装料均匀，总质量为G，那么每个舱的物料为G/2.如何在时间t内后舱完成G/2的卸料作业，则： G/2= （式2-3）此时，前舱卸出的物料为，剩余物料为：=G/2-=- （式2-4）将（式2-1）代入（式2-4） = （式2-5）根据前面的设想，令前仓剩余物料等于前仓H高度平面以下的有效容积V乘以物料的容重p

23、，即 (3) （式2-6）又： （式2-7）将和（式2-6）式代入（式2-7）式 = （式2-8）又罐体有效容积 V=所以： = （式2-9）式（2-9）即为双仓式罐体隔仓板理论高度计算式。从式中可知，隔仓板高度与罐体结构和出料管路都有关。因罐体内部结构复杂，所以需通过计算机求得H值。在实际的罐体制造过程中，隔仓板高度的取值应略大于H值。第3章 流化床的设计3.1 流化床的结构设计流化床是气卸散装水泥车的核心。其结构的合理与否是决定散装水泥车的卸料速度和剩余量的原因之一。水平固定卧罐式结构的气卸散装水泥车罐体总成，一般采用对称结构的复合流化床形式。流化床的整体结构由边滑板、气体分布板、流化床、

24、气室和气室壳体组成。 边滑板设计滑板的斜面应平整光滑。罐体内大部分水泥是在重力作用下通过边滑板集中于气体分布板上，然后由在气体分布板上在气流作用下形成流态并进入出料管道。一般硅酸水泥的静止休止角为4045。边流板的倾斜角必须大于水泥的休止角，一般取为45。气室的各个支撑板上有45个通孔，以保证流化床正常工作，边滑板与水泥罐的壳体以焊接方式连接，气体分布板应具有良好的透气性和足够的强度。现有的设计中边滑板和边滑板指是分开的，在本文中大胆设想，将边滑板和边滑板支架合为一体，减少焊接工作量的同时减少成本和焊接变形及应力的影响。并且将边滑板下边气室功能取消，仅仅保留气体分布板下边的气室，这样能够增大气

25、室的压强，提高物料的流态化程度，进而提高卸料速度，经实验对比卸料速度比原设计能提高7%左右。 气体分布板的设计气体分布板的孔要求均匀分布，孔径约20mm，孔与孔的间距约2030mm，气化层上的水泥经压缩空气流态化后，流动性增加。气体分布板的周边应留有直径为8mm、孔与孔间距为2530mm通孔，以用来固定流化态元件。增加气化层的倾斜角度，则水泥的输送角增大，剩灰率减小。但罐体无效容积增大，罐体质心增高，反之，如减小气化层的角度，则水泥输送速度减小，罐体有效容积增加。国内生产的散装水泥车气化层的倾斜角一般为6 10。气化板的宽度影响罐体的剩灰率和有效容积，增加气化板宽度，剩灰率增大，罐体有效容积增

26、大减小气化板宽度，剩灰率减小，整个罐体质心增高。在设计中还需考虑所选用透气层的规格宽度。国内生产的散装水泥车，气体分布板短边宽度一般在500600mm之间，气体分布板以焊接方式连接在滑板上，气体分布板结构简图如下图3-1图3-1 气体分布板结构简 流态化元件的设计流态化元件（俗称帆布）用压条紧固在多孔板上，要求流态化元件既具有良好的透气性，又能产生一定的压力差。流态化元件是流化床的一个重要组成部分，是气卸散装水泥车的一个关键性部件，技术要求高，生产难度大。据说日本川西特种车辆厂花了10年的时间专门研制流态化元件，最后使平均卸料速度提高到2tmin剩余量几乎为零。由此可见，要使我们的散装水泥车上

27、一个台阶，改进流态化元件的结构是关键。换言之，要提高气卸散装水泥车的专业性能指标，研制出能使水泥流态化效果最佳的帆布结构是关键。棉织物易潮，易破损，易积存污秽，弊多利少，用化纤织物取代之其效果肯定要好得多。值得一提的是，我国目前采用的流态化元件已多采用化纤织物。3.2 流化床各结构尺寸计算 罐体部分边滑板以及气体分板尺寸计算根据已确定的罐体结构尺寸，以及流化床结构计算出边滑板，气体分布板的尺寸。罐体的每一截面处均为圆形，截面内边滑板尺寸按以下公式计算 （式3-1） （式3-2） （式3-3） （式3-4） （式3-5） （式3-6） （式3-7）式中 k-边滑板底边距离-边滑板与水平距离的倾角

28、-气体分布板与水平面的倾角R-罐体的半径b-截面内边滑板的折边高度e-截面内边滑板斜边的长度图3-2 流化床结构简 气室各部分流板尺寸计算对接处的截面。O-O截面至A-A截面间每一处截面圆的半径均为R0。O-O截面处流板折边高度b0。流板斜边长度e0，已求出。设截面O-O为距截面A-A距离为X处的横截面。因流化层的倾斜角度为，则。根据公式(3-1)-(3-8)可计算出截面A-A处流板斜边的长度ex和流板折边的高度bx。图3-3 边滑板展开 图3-4 边滑板零件在A-A截面和截面O-O间选取若干截面，并计算出各截面处流板折边的高度b和流板斜边的长度e。A-A截面处流板折边高度，和流板斜边长度是当

29、时所求出的尺寸值。 边滑板及气体分布板支撑的计算图3-5 气体分布板支撑结构见图图3-6 边滑板支撑由图3-2可知边滑板底边距离k=f，截面内边滑板斜边的长度e=s，截面内边滑板的折边高度b=h，考虑到装备间隙问题，f，s，h均比计算尺寸小48mm。两条支撑的弧边半径已知可在绘图软件上直接绘出。 封头部分滑板的尺寸计算封头部分流板折边底线的形状以及流板斜边边缘的形状都为不规则曲线，难以计算。比较简单可行的办法是在试制过程中根据所采用的封头确定其流板各部的尺寸，然后制作成样板进行加工。由于罐体内气化板两侧的流板相对于罐体中心线对称，中央气室两侧的流板相对于罐体中线对称，所以设计计算时只需计算出罐

30、体一侧的流板尺寸即可。在设计时还应设计进入中央气室和两侧气室压缩空气的通道。通常是在中央气室流板折边以及两端封头流板的折边上开孔，以保证压缩空气在中间气室和两侧气室畅通无阻。1封头中滑板；2封头边滑板；3隔舱板；4边滑板；5边滑板焊缝;6气体分布板。图3-7 流化床平面结构1封头边滑板；2封头中滑板；3隔舱板；4隔舱板筋板；5边滑板支撑;6气体分布板支撑。图3-8 流化床结构截面A第4章 罐体各结构部分的材料选定及设计结合散装水泥车罐体的工作条件，国家对压力容器设计规范要求，以及散装水泥车的行业标准对罐体进行选材。散装水泥运输车罐体成装干粉散装水泥，对耐腐蚀性要求不高，可作一般要求。罐体内部物

31、料流动性大故对耐磨性有一定要求。又因罐体随车移动，故罐体有应具有相当的强度和冲击韧性以及塑性。罐体须由钢板经冷卷加工成型，故对变形性能由要求，最重要的是焊接性的要求。又因罐体正常工作压力为0.2Mpa，试验压力最高为0.3Mpa，所以根据国家压力容器的分类标准可知其为移动式低压容器。以下是压力容器的部分分类标准1 内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个压力等级，具体划分如下：低压(代号L)容器0.1MPap1.6MPa；中压(代号M)容器1.6MPap10.0MPa；高压(代号H)容器10MPap100MPa；超高压(代号U)容器p100MPa。2 按安装方式分类：固定式压力容器：有固定安装

32、和使用地点，工艺条件和操作人员也较固定的压力容器。移动式压力容器：使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。4.1 罐体结构的选材罐体的材料选择既要考虑设计安全因素，又要考虑材料的供货情况，包括材料价格、制造加工费用以及运行维护费用在内的总设备成本。容器壳体的的厚度决定于容器的结构尺寸，设计压力、材料的强度指标和结构钢性的要求等。低合金钢的轻度指标高于碳素钢，当设计压力较小、直径较大，这时可能是以刚度控制或是以结构设计为主，这种情况下通常尽量选用普通碳素钢；当设计压力较高，在以

33、强度控制的情况下，根据设计厚度的不同在权衡考虑选用哪一种钢材，如使用钢板厚度在810mm以下时，则尽量考虑碳素钢，反之优先考虑低合金钢。由碳素钢钢板使用规则可知应选用Q345A热轧钢，厚度为34mm。 罐体壁厚的设计1 容器圆筒的最小壁厚主要是考虑制造工艺要求以及玉树和安装过程中的刚度要求，同时根据工程实践的经验确定的，其值不包括腐蚀裕量，规定如下：（1）对于碳钢和低碳合金钢容器当内径3800mm时，=2/1000mm且不小于3mm；当内径3800mm时，按运输和现场制造、安装条件确定。（2）对于不锈钢容器，=2mm。2 椭圆形封头、碟形封头的有效厚度最小值是考虑到在封头在转角区域存在着较高的

34、周向压应力，从而对于很薄的封头，往往在弹性范围内就可能失去稳定而遭到破坏。具体规定如下：（1）对于标准椭圆封头和=0.9，r=0.17的碟形封头。其有效厚度应不小于封头内直径的0.15%；（2）对于其他椭圆封头和碟形封头。其有效厚度不小于封头内径的0.30%；（3）当确定封头厚度时，已考虑了内压力下的弹性失稳时，或是按分析法进行设计时，可不受（1）或（2）的限制。3 各元件最小厚度按GB1511998规定。圆筒：见第条隔仓板：见第.2条 罐体壁厚度的公式计算综上可知设罐体计压力为0.2MPa，试验最高压力为0.3MPa，设计温度为常温，内筒直径为2400mm2700mm，考虑到罐体的介质腐蚀性

35、极小，选腐蚀裕量为1mm，焊缝选用双面焊对接焊缝，局部无限损探伤，焊缝系数=0.85查GB150表2-1，取许用应力=113MPa，计算厚度按式 = （3-1）= =2.814mm=3.814mm，考虑到钢板的正负偏差，故取名义厚度为4mm，检查没有变化，故取名义厚度为=4mm合适。综合考虑以上各个因素，初步选定Q345系列钢材。包括Q345A、B、C、D。Q345A钢材与Q345B，C，D，E钢相比而言。低温冲冲击的试验温度高，性能好。含有害物资P，S量比Q345B，C，D，E要高。市场价格比Q345B，C，D，E要低。考虑，散装水泥罐体正常工作情况下，罐体内部压强为0.2Mpa左右，所以选

36、定为4mm厚度的Q345A热轧轧钢板。4.2 封头材料的选择鉴于封头生产需要专用的生产设备，且投入较大。所以专用车生产单位大都选择外购封头，以降低生产成本，提高效益。封头可根据本单位产品需求选择性价比较高的封头生产厂家的产品。第5章 罐体焊缝布置工艺优化5.1 罐体焊缝布置工艺现状目前，大多数专用汽车企业制造的粉粒物料运输车罐体均采用多段环焊缝连接，即钢板的轧制方向与罐体的环向一致（见图5-1）。参照压力容器的生产和经验，这种环焊缝罐体受力没有问题，但罐体外焊缝的焊接却很大程度上制约着生产效率，并降低了整车的外观效果。本文介绍了一种焊缝布置的新工艺，即有别于传统的焊缝排版方式，将环焊缝改为纵焊

37、缝，使钢板的轧制方向与罐体的水平方向相同（见图5-2所示）。现从受力分析、罐体制作的新老工艺对比等方面分别介绍这种新工艺的特点和优越性。图5-1 罐体焊缝布置老工艺图5-2 罐体焊缝布置新工艺5.2 罐体焊缝方向改变的可行性分析 筒体承压状态下钢板的受力分析粉粒物料运输车是利用空压机产生0.2MPa的压缩空气，将罐内的粉粒物料流态化，然后通过出料管路输出。故罐体属瞬间承压的低压容器。尽管瞬间承压的容器不列为政府监督的特种设备，不过仍可以参照其相关规定及计算公式对受力进行分析。图5-3为粉粒物料运输车工作状态下筒体的截面受力分布图。图5-3 筒体受力分布图 图5-4 圆柱上微单元受力截取筒体圆柱

38、上的任一微小单元（如5-4图），。参考文献2圆筒应力的计算公式，即 （5-1） （5-2） （5-2）式中为圆筒的计算应力，Mp；为计算压力，取=0.2MPa；为圆筒内直径，取=2600mm；为圆筒的有效厚度，取=4.0mm；为设计温度下圆筒材料的许用应力，选用Q235-A，取=113MPa;为焊接接头系数，因无须焊缝检测，取=0.6将以上各值代入（5-1）、（5-2）式中，得到：=48.99MPa；=67.8MPa。由此说明，无论是环焊缝还是纵焊缝，筒体应力均可满足设计要求。根据钢板的生产工艺特点，轧制方向有纵、横向之分，经试验测定，纵向的强度极限要高于横向强度极限的左右，所以传统的焊缝布置

39、是钢板的轧制方向承受主应力（环向应力），非轧制方向承受次应力（纵向应力）是正确的，不过钢板提供的性能指标为横向力学性能；文献规定，对于纵轧钢板，当产品标准没有规定取样方向时，应在钢板宽度处切取横向样坯。查阅国内外很多涉及容器的法规标准，都没有对钢板的使用方向做出规定，也就是说可以任何方向承担主应力。 设备可行性分析市场上工艺先进，性能稳定的大型设备，如大型缝焊机和大型卷圆机均为焊缝方向的改变提供了物质基础。5.3 罐体制作的新老工艺对比 罐体制作新老工艺对比1 老工艺下料卷圆多节筒体拼接中隔板焊接两端封头对接内件对接内焊缝焊接各外环焊缝焊接各外纵焊缝焊接平台、罐口焊接副梁焊接管路安装透气布安装

40、压力试验。2 新工艺各纵缝焊接卷圆纵缝对接中隔板焊接两端封头对接内件焊接封头外环焊缝焊接平台、罐口焊接副梁焊接管路安装透气布安装压力试验。 罐体制作新老工艺对比分析1 新工艺钢板采用定尺开平板采购，省去了下料工序；缝焊机拼焊是单面焊接双面成型，省却了老工艺中的内焊缝焊接，效率提高了至少50（见图5-5）。2 由于钢板的幅宽不可能完全适应各种罐体长度的需要，总是要在老工艺罐体的一端拼接一小节筒体，整体外观效果变差（见图5-1）。而采用新工艺后，定尺的钢板使得罐体外观整洁，而且罐体几乎没有废料产生，钢板利用率提高了5%以上，降低了原材料成本。3 为了减少焊接应力，承压容器须避免十字焊缝。传统工艺多

41、节筒体拼焊时，需要不断吊装并转动筒体，以便各节筒体纵缝错开（见图5-1），所以劳动强度大，效率低；由于施工空间和设备限制，传统工艺对拼接好的筒体内焊缝和筒体外纵焊缝只能采用手工焊接，焊接质量和外观质量难以保证；而且环缝对接的错边量很难控制，极易超标（见图5-6）。图5-5 大型缝焊机焊接筒体图5-6 多节筒体对接而新工艺纵焊缝是在大型缝焊机上平焊，错边量几乎为零，焊好的筒体料片翻面后（见5-7图）位于筒体外侧，焊缝质量和外观质量得到明显提高。4 传统工艺由于每节筒体长度方向下料的误差，加上卷圆后的不圆度误差，以及对接的错边量不同，使得多节圆筒对焊后的老工艺罐体，直线度会很差（见5-8图）。而改

42、为纵焊缝这种新工艺之后，外观质量明显改善（见5-9图）。图5-7 筒体料片翻面图5-9 纵焊缝罐体图5-8 环焊缝罐体5 为了提高钢板利用率，封头一般采用两片或三片拼接，再模压成型，所以在封头中部存在一条或两条对接焊缝，这条焊缝与筒体对焊时，一般位于水平状态，并要求两端封头焊缝方向一致。而此时以筒体纵缝为基准，减少了划线难度，提高了对接效率（见图5-10）。同理，中隔板、导流板等内件的定位，反光标识以及喷字的定位等，均能以纵焊缝为基准施工（见5-11图和图5-12）。图5-10 以纵缝为基准的封头定位图5-11 以纵缝为基准的内件定位实践验证，新工艺比传统工艺要优越很多，是值得推荐的一种新型结

43、构。但是，新工艺罐体也存在着一定的弊端，如老工艺罐体的环焊缝犹如一道道加强筋，使筒体刚度提高。而改为纵焊缝后，两端封头和中隔板处的刚度没有问题，但在进气管路和出料管路开孔处，由于受热变形偶然会出现凹坑等变形现象。当凹坑较浅时，可以通过打腻子弥补，但当凹坑深度超出了一定的范围，腻子会在罐体受压和卸压的交变应力下，逐渐成片脱落，严重影响产品质量。此时如采用钢板补丁的方式进行补救，又会增加制作难度和工时，所以这些问题还有待设计和工艺人员加以解决。第6章 罐体焊接工艺工艺优化罐体焊接目前主要存在问题是，焊接工艺不够规范，导致焊后罐体变形严重以至于第二个封头与罐体对接时错边量大，难以实现对接。本章节将针

44、对这个问题具体分析原因并提出正确的焊接工艺以解决问题。6.1 罐体变形量大原因分析钢结构离不开焊接，焊接必然产生一定量的焊接变形，焊接变形的控制与矫正尤为重要，其焊接的质量和生产效率直接影响到钢结构的建造周期和使用寿命。. 变形原因分析电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程，焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压缩塑性变形，这就产生了焊接残余变形。1 影响焊接热变形的因素（1）焊接工艺方法。不同的焊接方法，将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说，自动焊比手工焊

45、加热集中，受热区窄，变形较小。CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小。 （2）焊接参数。即焊接电流，电弧电压和焊接速度.线能量愈大，焊接变形愈大。焊接变形随焊接电流和电弧电压的增大而增大，随焊接速度增大而减小.在3个参数中，电弧电压的作用明显，因此低电压高速大电流密度的自动焊变形较小。（3）焊缝数量和断面大小。焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大（4）施工方法。连续焊，断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大，断续焊变形最小。 （5）材料的热物理性能。不同的材料，导热系数，比热和膨胀系数等均不相同，产生的热变形也不相同，焊接变形也不相同。 2 影响焊接构件刚

46、性系数的因素（1）构件的尺寸和形状。随着构件刚性的增加，焊接变形愈小。（2）胎夹具的应用。采用胎夹具，增加了构件的刚性，从而减少焊接变形。 （3）装配焊接程序。装配焊接程序能引起构件在不同装配阶段刚性的变化和重心位置的改变，对控制构件的焊接变形有很大的影响。一般来说，焊接构件在拘束小的条件下，焊接变形大，反之，则变形小。 焊接变形种类1 纵向收缩和横向收缩；在焊缝长度方向上的收缩称纵向收缩，而在垂直于焊缝纵向的收缩称横向收缩。由于这种收缩，便使焊件发生了变形。(图6-1所示) 2 角变形； 3 弯曲变形； 4 波浪变形； 5 扭曲变形。a-收缩变形,b-角变形,c弯曲变形,d波浪边形,e扭曲变

47、形图6-1 变形形式示意图6.2 罐体焊接变形原因分析及优化方案 罐体变形原因分析罐体焊缝布置改进之后后避免了一部分环焊缝的影响，但是隔舱板衬板、支撑以及边滑板的焊接工艺不合理仍旧能够引起焊接变形。导致封头与罐体对接错边量大。以上焊接工艺的不合理性主要体现在焊接顺序的不合理，以致应力集中，最终导致罐体变形。 控制钢结构焊接变形的原则与方法焊接过程中的热变形和施焊时焊接构件的刚性条件是影响焊接残余变形的两个主要因素。根据这两个主要因素可以认为焊接残余变形是不可避免的，即完全消除焊接变形是不太可能的。控制焊接残余变形必须从钢结构构件设计和施工工艺两个方面同时采取措施。在钢结构构件结构设计上除了要满

48、足构件的强度和使用性能外，还必须满足构件制造中焊接变形最小及耗费劳动工时最低的要求。焊接工艺是钢结构施工中的重要工艺之一。合理的焊接工艺是减少焊接变形，减少应力集中的有效方法。为了控制构件焊接变形，应尽可能采取有效措施，如：将构件分为若干小部件与构件分段，使焊接变形分散在各个部件上，便于构件变形的控制与矫正；使各部件焊缝的布置与构件分段截面中性轴对称或接近截面中性轴，避免焊接后产生扭曲和过大的弯曲变形；对每一条主要焊缝，尽可能选择小的焊脚尺寸和短的焊缝；避免焊缝过分集中和交叉布置；尽可能采用宽而长的钢板或能减少焊缝数量的结构形式，等等。控制钢结构构件焊接变形的工艺方法有: 1在无装配应力强制下

49、进行构件装配； 2采用自动埋弧焊和其它气体保护焊工艺； 3合理选择焊接规范参数和装配焊接顺序； 4尽可能合理运用刚性固定法，反变形法。 具体改进方案罐体内部结构（主要是支撑和滑板）铆焊结束后，由两个焊接技能接近的工人分别从罐体中线对称的位置沿路线1和2以相当的速度施焊，使两侧的应力得以抵消，变形量得到有效控制，从而避免过大变形影响装配精度。图6-1 流化床支撑焊接顺序示意图结论散装水泥运输车的性能好坏关键在于卸料速度、剩余率以及整车使用寿命，而这三项指标能否达到要求与罐体内部结构设计以及罐体焊接工艺有很大关系，本文通过对散装水泥运输车罐体设计及焊接工艺的优化，得到以下结论：1 流化床的结构设计

50、方面，通过优化改进流化床的整体结构，达到了在增大容积量的同时减少剩余率的设计效果，有效提高整车性能。2 在罐体焊缝布置方面，以纵向焊缝代替单一的环向焊缝，同时改进罐体焊接工艺，大大提高罐体直线度，有效提高了罐体的焊接质量，延长使用寿命。3 在隔舱板设计方面，通过实验分析，得出合理的隔舱板高度能够有效提高卸料速率3%5%。4 罐体焊接方面，合理调整流化床支撑焊接顺序，使罐体变形能够到有效控制，减少焊接应力，大大降低罐体焊缝开裂的概率，提高罐体使用寿命。5 不足之处在于气体分布板设计仍存在较大缺陷，以致卸料速度没能够得到有效提升，存在较大的改进空间。谢 辞本文是在崔琦老师的悉心指导下完成的。导师为

51、此次设计提出了许多指导性的意见，为说论文的撰写、图纸的修改以及参考资料的查找等提供了许多具体的指导和帮助。在这期间，我深刻感受到了崔老师丰富的生产经验和扎实的理论基础，认识到自身的不足之处还有很多，仍需努力。在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来辛勤栽培。不积硅步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业设计。同时，在设计论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关作者表示谢意。我还要感谢同组的各位同学以及我的各位室友，在毕业设计的这

52、段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多的宝贵意见，对于你们的帮助和支持，在此我表示深深的感谢。参考文献【1】李清华.粉粒物料运输车罐体焊缝布置新工艺专用汽车 2009.0660-61页【2】压力容器安全技术监察规程S【3】GB1501998钢制压力容器S【4】GB/T29751998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备S【5】JB/T4746-2002钢制压力容器用封头S【6】崔忠圻，覃耀春金属学与热处理第二版，北京机械工业出版 2007 305360【7】高忠民实用电焊技术金盾出版社2006年481494【8】陈裕川钢质压力容器焊接工艺第二版，北京，机械工业出版社20073156【9

53、】杨可桢，程光蕴，机械设计基础第三版.北京:高等教育出版社，1989【10】王明明，蔡仰，华徐桂容压力容器安全技术北京，化学工业出版社2004【11】刘道华压力容器安全技术北京，中国石化出版社2009【12】贾安东焊接结构与生产第二版，北京，机械工业出版社北京2006【13】上海交通大学，周浩森焊接结构生产及装备北京，机械工业出版社2000【14】王德杉、刘志强自卸式半挂汽车列车卸载横向稳定性研究江苏工学院学报1991【15】崔靖专用汽车设计陕西，科学出版社1989【16】东北工学院机械零件设计手册编写组编机械零件设计手册北京，冶金工业出版社1983【17】孙训方、方孝淑、关来泰编材料力学北京

54、人民教育出版社1979【18】李亚江主编焊接冶金学：材料焊接性北京：机械工业出版社，2006【19】GB150-89钢制压力容器，学苑出版社【20】GBJ17-88钢结构设计规范【21】刘燕主编，压力容器手册，北京，当代中国音像出版社 1999【22】中国机械工程学会焊接学会编，焊接手册 第2卷材料的焊接，北京， 机械工业出版社2007外文资料翻译Welding technology since the invention has been over a hundred years of history, of industrial production in all major products, such as aviation, aer