长管拖车瓶体转动现象及解决方法分析

2012-02-01李书磊路玉芝郭八一

商用汽车 2012年14期

李书磊路玉芝郭八一

本文针对长管拖车及气瓶集装箱等相应产品的瓶体转动现象进行分析，提出了几种解决方法和建议，并对其进行了比较，以方便用户选择更适合自己使用情况的解决办法。

随着不可再生的原油资源的日益消耗和社会对环境保护重视程度的不断提高，天然气、氢气等洁净能源的开发和使用被纳入到关乎国家公共安全的议事日程，随之带动了相关特种设备的长足发展，其中长管拖车(即长管半挂车——编者注，下同)作为一种运输洁净气体的特种设备，凭借其运输的灵活性和装卸的方便性及使用压力高等特点，越来越被大众所接受。我国生产的长管拖车由于其发展初期主要依据国外的相关标准制定企业标准作为设计依据，缺少实际经验设计。在其实际的使用和定期检验检测过程中发现了各种各样问题，其中钢瓶产生周向旋转便是一种比较严重的问题。钢瓶的旋转会造成其连接管路松动，容易发生密封气体的泄漏而造成危险事故隐患，即使发现及时也须将装载的介质全部放空后重新紧固管路连接。这既造成了浪费，又不能从根本上解决问题。为此，本文针对钢瓶产生周向旋转这一问题进行原因分析，并提出解决该问题的建议和方法。

1 转动原因

1.1 钢瓶质心位置发生偏移

随着大容积无缝钢瓶生产制造技术的发展，在追求大容积的市场作用下，钢瓶长度越来越长，最长的已经超过10 m。依据文献[1]的要求，最小单根容积≥1 000 L，按照直径559 mm使用压力为20 MPa，常用型钢瓶换算成对应的最小长度应≥5 400 mm。然而，在实际制造过程中却无法达到理想形态，因为钢管原材料的厚度分布不均，便存在着一定的不直度，再到后续的热处理，会进一步产生形变。这些均会使钢瓶质心不能处在钢瓶的中轴线处，若在组装过程中不加以控制，还会使质心位置不在中轴线下方。这导致在道路运输中，钢瓶除了一直承受自质量产生的周向力矩外，还会因路程远、路况较差，尤其是在转弯时长管拖车整体产生很大向心力的影响而造成钢瓶旋转，这些是钢瓶质心位置发生偏移的主要原因。

1.2 旧的安装方式

钢瓶与框架的连接一般是通过安装法兰与钢瓶的外螺纹连接，法兰再与框架进行螺栓固定。若无防旋转措施，螺纹连接很容易出现旋转，从而导致泄漏情况发生。文献[2]中提到通常的防旋转措施是在钢瓶的两端加装防旋转螺钉，防旋转螺钉的安装应优先考虑安装在钢瓶与管路连接端；而法兰和外部框架是螺栓连接，故不存在旋转的可能性，先前的安装方式(如图1)，螺钉安装在法兰与钢瓶连接的螺纹处斜向安装，可以有效阻止钢瓶转动情况的发生。

针对其自质量产生的周向力矩问题，文献[2]中提到制作时应尽量保证钢管的壁厚均匀，热处理后还要进行校直处理，尽可能保证质心处于中轴线，组装前进行静平衡试验，并做好相应的标记，保证组装时质心在中轴线下方，以减少自质量产生的力矩影响。

经过多年发展，上述问题已经得以有效地预防，并作出了新的改进。

2 新的改进方法

2.1 防旋转销钉的解决办法

变更原工艺过程，将原来的倾斜打孔变更为水平开孔，设计专用工装进行辅助作业，由原来的经验手工开孔转换为专用设备定位开孔，并采用配套钻头，以降低其作业难度(见图2)。水平开孔可增大法兰与钢瓶连接处的接触面积，为防止螺钉脱落在法兰一侧，可进行点焊处理，由于钢瓶装载高压气体，不允许钢瓶存在焊接结构；因此，为了避免焊接时对钢瓶螺纹的热量影响，建议选用热量集中且影响范围小的氩弧焊进行焊接固定，且焊接固定点位于法兰一侧。

与斜向开孔相比，此方法降低了操作难度，加强了操控性和易检查性，接触面积也增大，通过实际运用情况的观察，实施效果非常好。但同时也有不足之处：一是钻孔的深度被加大，由于材料硬度较大，使钻孔强度增大；二是防旋转螺钉的焊接问题，由于可施焊的面积较少，又需要避开钢瓶螺纹部分，进一步减少了焊接面积，焊接时很可能被焊接到钢瓶上，焊接完毕后表面又喷涂油漆以及涂密封胶做防腐处理，不宜检查确认，等到年限大检时，发现钢瓶存在焊接现象会强制性报废。

针对上述问题，解决焊接接触一种简单有效的方法便是适当加大端塞外径，替代原来的焊接结构，使外径能够盖住安装的防旋转销钉，从而起到阻挡销钉的作用，避免出现焊接到钢瓶的现象。此方法取消了焊接固定，便不再存在钢瓶会有焊接点的风险，但端塞质量增加，会增加整备质量。

2.2 另一种瓶端固定方法

总结上述各种情况的优缺点，还可采用一种综合上述固定连接的结构，便于在施工中减少钻孔深度，也无须增加端塞的外径，便可避免焊接施焊到钢瓶上。如图3所示是在法兰上开固定销槽，用与法兰相同材质的销子进行固定，边缘位置焊接固定，在与钢瓶具有一定距离时便停止焊接，以避免出现焊接接触钢瓶，也易于检查。此方法操作性强，固定后钢瓶如果产生旋转趋向时，所产生的阻挡力方向与接触点方向相反，故能起到良好的防旋转效果。此外，钢瓶安装位置的不同，导致质心偏移和转弯形成的剪切力不同，故可针对不同的钢瓶位置，校核其在一定的偏心情况下固定销所受剪应力的大小，从而确定不同位置钢瓶布置固定销的数量和直径，以满足剪应力的要求，防止固定销失效。

此方法易于检查和更换固定销，可针对不同位置安装数量不等的固定销，有的钢瓶仅安装一个即可起到防旋转的作用，并因钢瓶和法兰的连接处钻孔深度减小而易于操作。此外，焊接距离钢瓶较远，增加了可控性，避免了焊接到钢瓶上的情况发生，端塞外径可适当减小，从而减少了整备质量和加工难度。

3 其他辅助方法

3.1 下侧钢瓶与框架之间加装固定钢带

最下侧与底梁接触的钢瓶如图4所示，用钢带环绕钢瓶，将其与底梁进行螺栓固定，增加接触面积和作用力。钢带内侧加装一些非金属材料，如橡胶等衬垫，防止金属直接与钢瓶接触造成铁离子污染，文献[1]中要求汽车罐车、罐式集装箱、长管拖车和管束式集装箱等需要进行惯性力载荷试验，其中在运动方向要能承受2倍最大质量的惯性力要求是最难达到的。因此，钢带整体绕过钢瓶与底梁进行螺栓固定，可起到固定钢瓶的作用，相当于在运动方向上摩擦起到缓冲作用，从而减少前后端支撑板所受的惯性力；而在周向上的摩擦力可起到防旋转的作用。值得注意的是，由于钢瓶本身的刚性远大于框架的刚性，采用固定钢带会造成钢瓶与框架的相对变形，钢带连接在底梁上也会因运输过程中的颠簸容易引起底梁连接处的疲劳损伤，从而对底梁产生破坏。因此，底梁在材质的选用和厚度的选取等方面的要求要高于其他部位。运动方向的摩擦还会造成内衬的脱落，也需要采取措施加强内衬与钢带的固定。

3.2 钢瓶之间加装防旋转装置

在钢瓶之间加装防旋转装置块(如图5)，防旋转装置在选材上应该采用弹塑性良好的非金属材料，可安放在钢瓶上下间隙之间，也可以安放在两侧间隙之间，以起到防旋转作用；还可以使所有钢瓶相互连接，避免上层钢瓶悬空放置，这在行驶中对运动方向的冲击可以通过防旋转装置的摩擦传递到下侧，从而减少对两侧支撑板的冲击，由此也可减少前后支撑的自质量和抗冲击要求，也因此在整体上减轻了整备质量。由于钢瓶在热处理过程中对直线度会产生影响，此方法对钢瓶的直线度要求较高，在实际安装过程中防旋转装置的位置需要根据实际钢瓶的直线度调整，同时钢瓶会增加一定的外载荷，故要求设计人员进行综合考虑，包括防旋转装置的具体形状、大小、连接和安装方法以及相应材质等问题。