1、2022 年 第 12 期 化学工程与装备 2022 年 12 月 Chemical Engineering&Equipment 201 Y Y-TonTon 高纯气瓶旋压优化分析及应用高纯气瓶旋压优化分析及应用 王 庚，叶明阳，刘 博（洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000）摘摘 要：要：基于 Y-Ton 高纯气瓶旋压优化工序方案，建立数学模型并进行理论计算校核、结合工程实际构建精细化模型进行有限元分析，实现该工序优化方案的安全性评价。优化方案结合实际生产，通过实践应用验证，确定其可行性及效用。本文也为类似优化方案提供了较为便捷、高效的研究方法。关键词：关键词：Y-Ton 高纯气
2、瓶；旋压；有限元；高效 1 1 概概 述述 随着我国产业结构升级，集成电路、芯片、半导体等产业高速发展，对高纯气体种类和数量的需求日益增加，Y-Ton高纯气瓶数量也在快速增加。采用旋压的方法对钢管进行收口成形无缝气瓶，可以在成形过程中得到不同的材料再分配以满足气瓶尺寸要求，并从根本上消除了传统气瓶焊接生产中焊缝的不连续、强度降低、脆裂和拉应力集中等缺陷，是生产无缝气瓶的好办法。旋压机分为前架箱和后架箱。气瓶旋压加工时，气瓶前端由前架箱上的卡爪固定牢固，并提供旋转的扭矩，后架箱的卡爪抱紧气瓶尾部，保持从动。前架箱卡爪和后架箱卡爪可以同时装卡住气瓶，并提供固定扭矩，开始进入旋压状态，完成气瓶的旋压
3、成型工作，如图1所示。图图1 1 重型旋压机旋压较长气瓶示意图重型旋压机旋压较长气瓶示意图 Y-Ton高纯气瓶长度短，瓶体吊装时，需要在设备内部放入过渡滑块，人员配合缓慢吊装后拆除滑块。吊卸气瓶时，需要机床活动件配合将气瓶顶出一部分，人员缓慢吊卸，整个过程操作繁杂，人员参与度高且效率较低。图图2 Y2 Y-TonTon高纯气瓶优化后旋压示意图高纯气瓶优化后旋压示意图 本文将两段Y-Ton高纯气瓶通过焊接的方式连接为一个整体，使气瓶长度增加，后架箱卡爪可以装卡住气瓶，使气瓶保持稳定可靠的旋转状态。本文通过在Y-Ton高纯气瓶的旋压工艺流程研究，优化工艺路线。通过对重型旋压机旋压过程中Y-Ton气
4、瓶的状态及受力状态研究，构建数学模型并进行力学校核计算，基于优化方案的实施状态，有针对性对构建的有限元仿真模型进行局部优化分析，同时结合实际产品验证的方法完成验证并推广实施。2 2 旋压校核旋压校核计算计算 首先，对Y-Ton高纯气瓶旋压的工作状态，进行分析。在优化方案里第一只气瓶由前架箱提供驱动力，第二只气瓶和后架箱的加速扭矩由第一只气瓶所受的扭矩传递输入。由于整个结构为刚性体，最为薄弱的环节为两支Y-Ton高纯气瓶的连接处。根据动能守恒定律，计算尾座及尾座上夹持的气瓶，在额定时间内，加速到旋压时的额定速度，所需要的输入扭矩，即为前端气瓶输入该组合体系统的扭矩。本文已知条件，气瓶外半径：=0
5、.305m；气瓶外半径：=0.29m；气瓶质量：=1000kg；瓶口直径：=0.12m；加速时间：t=30s；转速：n=300r/s；尾座外半径：=0.6m；尾座内半径：=0.305m；尾座质量：=7000kg；焊接材料屈服强度：=377.7MPa。=2n/60 （1）=/t （2）式中，t为Y-Ton高纯气瓶从零逐渐加速至最大额定速度所消耗的时间，n为达到可旋压时的额定速度。为Y-Ton高纯气瓶角速度计算得31.4rad/s。为角加速度计算得1.05rad/,。DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.094202 王 庚：Y-Ton 高纯气瓶旋压优化分析及应用=（+）
6、（3）=（+）（4）J=+（5）气瓶质量为m1，内外半径分别为r1、r2；尾座箱质量为m2，内外半径分别为r1、r2；j1为Y-Ton高纯气瓶的转动惯量计算得88.56kg/m2，j2为尾座箱回转体的转动惯量为1585.6kg，J为组合体的转动惯量计算得1674kg。T=J*（6）T1=T*s （7）式中，s为安全系数，T为气瓶与尾座箱组合体达到可旋压的状态时需要输入的总扭矩，为1752Nm；T1为2102.7Nm。输入扭矩路径上，最为脆弱处为两个气瓶对接的瓶口焊接处。使用ER50-6焊接，对接处的环焊缝焊高5mm。同时，需要对此处焊缝所能够承受的最大扭矩，进行校核计算。=d/D （8）=0.
7、1(1-)（9）将瓶口焊接连接处，主要的连接强度是由对焊的焊肉组成，为使计算更接近实际状态，将连接处环焊肉模型简化为同心圆结构的匀质模型体。式中，d、D为环焊肉内外直径，为直径比，计算得0.92，为环焊肉模型体的惯性矩，计算得6*。=/2 （10）=/r （11）=*（12）式中，为焊接材料的屈服强度，根据第三强度理论，确定焊接材料的许用剪切用力，计算得188.85MPa，Wt为对接处环焊肉的抗扭截面系数，计算得1*10-4，Mt为对接处环焊肉所能承受的最大扭矩19184Nm。=/（13）按式（13），对Y-Ton高纯气瓶在旋压工作时产生的最大扭矩与焊接接头所能承受的最大扭矩进行对比较，S0为
8、比较值，计算得S0值为9.12，所以优化方案的是安全的。3 3 有限元分析有限元分析 Y-Ton高纯气瓶实际受力工况较为复杂，第二只气瓶旋转的动力输入，为前端气瓶通过焊接处传递的扭矩T1，因此，利用网格理论对气瓶组合体连接处进行有限元分析。3.1 有限元模型建立 建立Y-Ton高纯气瓶的有限元三维模型，由于气瓶瓶口处有焊接材料堆积，为使模拟更接近工程力学实际，建模时，5mm的环焊肉也加入分析模型中一起分析。3.2 材料属性定义 Y-Ton高纯气瓶材料为4130X，其密度值为7800kg/m3，材料弹性模量值设定为2.1105MPa，泊松比值输入0.34。3.3 约束条件添加 气瓶瓶口端面设置为
9、固定面，对瓶体加载组合体输入扭矩T1。3.4 网格划分 本文采用了自由网格划分。气瓶模型如图3所示，网格单元平均大小为2.5mm，总数98804个。图图 3 3 气瓶气瓶模型模型网网格格划分划分 3.5 结果分析 通过计算，组合体在输入扭矩作用下，模型的应力分布情况如图4所示。瓶体最大的等效应力位于瓶口台阶处。图图4 4 组合体输入组合体输入扭矩扭矩作用下作用下模型模型应力分布情况应力分布情况 最大等效应力为14.27MPa，远低于焊材ER-50的材料屈服强度。根据第一强度理论，本文的组合结构在工作过状态是安全的。4 4 组合气瓶生产验证组合气瓶生产验证 现场对 Y-Ton 高纯气瓶进行组焊，
10、焊缝余高 5mm。将焊接后的Y-Ton高纯气瓶组合体，按图2气瓶调整优化示意图样式，安装就位，开动机床运行一个周期，检查焊接接头状态合格后，再次开动设备，完成旋压成型。卸装，检查焊缝状态合格。从试验效果可知，采用5mm环焊缝将两支气瓶组合焊接后进行旋压的优化方案可行，如下图6组合Y-Ton高纯气瓶旋 王 庚：Y-Ton 高纯气瓶旋压优化分析及应用 203 压后的情况。图图 5 5 组合气瓶样件瓶端旋压后组合气瓶样件瓶端旋压后情况情况 Y-Ton高纯气瓶装卸及旋压工艺流程需要50min，采用此工艺方案瓶子工艺流程时间为40min，每只可节约10min，效率提升20%。该优化方案，使操作程序得到了
11、精简，同时也减少了工装的使用。5 5 结结 论论 针对Y-Ton高纯气瓶，瓶体长度短，旋压工艺效率较低。本文通过基于优化工艺采用瓶头对接，变短为长的方案。对组合后Y-Ton高纯气瓶受力理论分析。构建接近工程实际的模型进行仿真分析，确定该方案的安全可行性。结合实际生产过程，验证了Y-Ton高纯气瓶优化方案的可靠性，方案优化后效率提升近20%。该优化方案计算和分析的方法，也为类似工艺优化方案提供了建设性的参考。参考文献参考文献 1 络辉,柴森,赵保頔,等.高纯气体中容积钢质无缝气瓶定期检验A/2018特种设备安全与节能学术会议论文集C.昆明:中国特种设备安全与节能促进会,2018.2 梁佰祥,杨明
12、辉,阳意慧,等.气瓶旋压成形技术 J.机电工程技术,2004,33(10):12-18.3 邵飞,任方杰,常磊,等.无缝气瓶热旋压收口成形工艺数值模拟研究J.材料开发与应用,2013,28(3):102-106.4 邓春锋,邵飞,梅鹏程.大容积高压气瓶旋压成型工艺研究J.锻压装备与制造技术,2016,12(6):80-83.（上接第（上接第 22220 0 页）页）_ 血乳酸水平，分析时应该综合进行分析。3 3 小小 结结 根据以上进行总结，在操作中应注意以下几方面的问题可保证结果更具有效性:完善取样技术，做到取样部位合理化以及避免污染、时间统化；血样处理过程标准化，尽量减少实验误差；实验过程
13、条件要标准化，例如比色皿选定以及显色液存放时间；分析讨论时注意考虑各种影响因素，特别是个体的差异；应用自动分析仪法，应经常进行近实验值的校正、以减少系统误差。参考文献参考文献 1 崔云龙,王海燕.乳酸氧化酶法测定血浆中乳酸J.中华医学检验杂志,1997(20):288.2 张鹏.血浆乳酸测定方法的建立J.实用医技杂志,2005(19):2831.3 杨天乐,秦孝梅.血液乳酸测定的超微量改良法J.体育科学,1983(01):47-50.4 王忠山.关于血乳酸超微量测定方法的探讨J.天津体育学院学报,1987:72-74.5 金花.恢复期血乳酸测定方法的一些实际问题(综述)J.山东体育学院学报,1995(02):10-13.6 吕毓虎,蒲西安,程林.不同运动强度对人体血乳酸的影响J.四川体育科学,2014,33(04):33-35.7 窦兰君,李文选,汪济民.血液乳酸超微量改良法的改进及其应用J.解放军预防医学杂志,1994(02):118-122.8 覃纲,李嘉燕,韦柳青,等.血标本放置时间及温度对危重病患者血乳酸值的影响J.临床和实验医学杂志,2012,11(02):111+114.9 孟泽,李玲.适用于各种标本的快速,准确的乳酸测定方法J.临床检验杂志,1987(5):2.