液化石油汽钢瓶气密性检测装置设计与研究

液化石油汽钢瓶气密性检测装置设计与研究

朱治宇，翁乐杰，杨耿涛，叶剑，沈家栋

同济大学浙江学院 嘉兴 314005

绪论

液化石油气钢瓶是一个涉及到多个行业、多个学科的综合性的产品，其制造技术涉及到焊接、机械的加工、腐蚀与防腐、无损的检测、安全的防护等众多产业，国内液化石油气钢瓶的生产、装配工序主要由半自动化人工操作完成，不仅员工的工作强度大，生产成本高，而且生产的效率很低。如何高效地进行液化石油气钢瓶的产业自动化升级，成为了液化石油气钢瓶制造商急需研究和解决的重要问题。

同时液化石油气钢瓶不仅使用过程中的泄漏、爆炸极易发生人身伤亡事故，而且在生产过程中的高压气密性测试（压力达到2.1MPa）也具有一定危险性。根据GB5842-2006《液化石油气钢瓶》的规定，钢瓶必须100%通过气密性检测，液化石油气钢瓶的检测主要由半自动化人工操作完成，检测过程具有一定的危险性，所以如何进行自动化气密性检测，成为了急需研究和解决的重要问题。

本文根据液化石油气钢瓶的生产和检测过程中遇到的一些问题，进行关键技术研究及产业化升级，包括优化气密性检测设备充放气流程，降低由于气体高速流动所产生的噪音，采用自动接口技术保证充气口的自动对齐，采用多重气密性检测技术杜绝安全隐患。通过本项目的研究与开发，不仅可以提升液化石油气钢瓶的气密性检测技术，还可以提升液化石油气钢瓶行业的生产的效率，以及降低员工的劳动强度，提高生产过程的安全性，而且可以对压力容器行业自动化安装、密封性检测具有一定的指导意义，推进压力容器行业产业升级。

设计方案分析：

液化石油气钢瓶生产、瓶阀的安装、气密性检测主要依靠半自动化人工操作完成，这样的生产方式效率低，工人劳动强度大，容易产生检测误差，同时气密性检测需要进行2.1MPa压力的带压测试，容易产生安全事故。随着劳动力成本的不断提升，对液化石油气钢瓶质量、生产效率、制造成本的要求也在不断提高，普通人工操作的方式越来越不能适应企业发展的要求。液化石油气钢瓶生产、检测自动化技术研究已经在压力容器生产领域开展起来，但是将自适应装夹技术、自动接口技术应用于液化石油气钢瓶自动化生产的研究还不够，多重检测技术在实际应用中的研究仍然十分欠缺。本项目将从以下几个方面进行研究

（1）研究锻压、焊接下的液化石油气钢瓶数学理论模型，分析其生产过程中产生缺陷的可能性及应对的爆炸防护措施。 对生产过程中成形件的结构及性能进行分析，采用有限元分析软件对成形过程进行数值模拟研究，确定其生产过程中产生缺陷的可能性，并对生产工艺进行优化。液化石油气钢瓶在2.1MPa密封性检测中，研究内压力作用下由缺陷引起的的破坏和弹塑性变形规律，对其因自身缺陷产生的爆炸进行有效的防护设计，避免安全事故发生。

（2）采用多重气密性检测法，分析影响液化石油气钢瓶密封性检测的装夹因素。   对液化石油气钢瓶进行多重气密性检测实验，从带压检测法和浸水法两个方面确定分析液化石油气钢瓶的密封性，并能快速确定出现密封性问题的点。分析检测过程，得出液化石油气钢瓶气密性检测中，钢瓶的不同定位、装夹方式对检测的精度和效率的影响，并以此进行自动化检测设备的开发。

（3）研究瓶阀自动化装配及自动化接口技术

液化石油气钢瓶瓶阀安装流程中，研究、开发自适应定位、安装机构，保证液化石油气钢瓶在准确位置进行自动化装配，提高生产制造的效率及装配的精度。同时考虑现有液化石油气钢瓶充气都是人工操作完成，易受人为因素的影响，容易出现操作失误，人工成本高，且带压气密性测试具有一定的危险性。针对液化石油气钢瓶充气过程中的工艺，研究、开发自适应充气装置，降低人工劳动强度，提高充气枪与液化石油气钢瓶的接口精度，提高生产过程安全性。

（4）研究噪音理论，分析阀体开口尺寸与气流流速对放气噪音的影响

通过改变阀体开口尺寸、放气气体流速，研究和绘制噪声与流速的关系曲线，进而分析实际运用中噪声产生原因，改进整体气路设计方案，减小噪音的产生。进行现场噪声测试，保证生产过程中噪声小于65dB以下。

（5）充放气管路优化设计，进行检测、充气系统设计；

设计气密性检测系统，主要包括气泵、储气罐、各类电磁阀、压力传感器和充放气接口等。检测系统需要具有闭环控制的特点，采用高精度压力阀控制储气罐进口处的压力，此环路将储气罐进口处的压力扰动包含在内，通过压力阀本身的闭环回路实现压力的稳定控制; 同时设置高精度压力传感器，检测带压气密性测试过程中瓶阀是否有泄漏情况产生。根据瓶阀的开开口尺寸、气体流动速度等参数，计算单个液化石油气钢瓶的充气效率，设计充气系统。由于液化石油气钢瓶气密性测试属于高压测试，需要考虑各种充气过程中的危险情况，设置多重安全保护措施。

（6）关键设备整体强度、刚度、结构优化分析

基于ANSYS对瓶阀安装设备、检测设备进行结构、刚度、强度分析。采用有限元分析软件分析各个工作位置时的整体受力情况，对危险截面进行加强。对接触较多的部位进行表面硬化处理。优化整体结构，减少悬臂梁，增强结构稳定性。

对于液化石油气钢瓶气密性检测装置来说，框架结构主要指两根主横梁、整体的框体结构和电机放置的平台，它们是构成气密性检测装置的基本金属结构。连接梁用来链接框架与外部气缸，横梁主要承载框架整体的重量，框架底部可放置运输带来运输煤气瓶，电机放置处可以安放电机来驱动底部放置的运输带。

铸造液化石油气钢瓶气密性检测装置框架结构见图1所示。

图1 框架结构图

框架结构的计算

1框架主要尺寸参数的确定

框架长宽高（除去连接梁和电机放置平台）：

长x宽x高=2.17mx0.625mx1.52m

连接梁长度L=1300m

取刚才密度ρ=7.85g/cm³，可求得框架整体质量约为185kg。

因同时要对6个煤气瓶进行测量，单个煤气瓶满气质量约为30kg，则总体质量约为180kg；加上框架的质量共计365kg，考虑到传送带质量取总体质量400kg进行计算。

2连接梁受力计算

图5-1 受力分析

图2 剪力图 图3 弯矩图

图4 横截面

最大弯矩：M_max=Fl=1000x0.325N·m=325N·m

抗弯截面系数：W=(BH³-bh³)/6H=(50x120³-44x114³)/(6x120)=29461.2mm³≈2.95x10^-5m³

应力：σ=M/W=325/(2.95x10^-5)=1.1x10⁷Pa=11MPa

可知Q235钢许用弯曲应力[σ]=158MPa＞11Mpa

3横梁受力计算

图5 受力分析

图6剪力图 图7 弯矩图

图8 横截面

最大弯矩：M_max=Fl=1000x0.3N·m=300N·m

抗弯截面系数：W=(BH³-bh³)/6H=(50x120³-44x114³)/(6x120)=29461.2mm³≈2.95x10^-5m³

应力：σ=M/W=300/(2.95x10^-5)=1.01x10⁷Pa≈10MPa

可知Q235钢许用弯曲应力[σ]=158MPa＞10Mpa

整体结构的计算

图9 整体结构图

1升降梁受力计算

图6-2 受力分析

图10 剪力图 图11 弯矩图

图12 横截面积

最大弯矩：Mmax=Fl=1000x0.3536N·m=353.6N·m

抗弯截面系数：W=(BH3-bh3)/6H=(120x503-110x403)/(6x50)=26533.3mm3≈2.65x10-5m3

应力：σ=M/W=300/(2.65x10-5)=1.13x107Pa≈11MPa

可知Q235钢许用弯曲应力[σ]=158MPa＞11Mpa

2 气缸受力计算

装置总体质量取400kg

单个气缸受力F=400/4x10N=1000N

工作压力取P=0.5Mpa

则缸径最小值D_min=4F/P÷π= =2.55x10^-3m=5.05x10^-2m=50.5mm

因为要长时间高频率使用切考虑到行程较长所以取缸径D=125mm

根据整体结构取长度L=1000mm

3 电机与减速器选择

取满气煤气瓶质量为30kg

滚筒鱼煤气瓶之间摩擦系数为μ=0.3

则单个煤气瓶收到最大静摩擦力为F=μmg=0.3x30x10N=90N

共6个煤气瓶，总共需要传送带提供的最大的力为F_max=90x6N=540N

可知链轮直径为0.05m

所需扭矩T=0.05x540N=27N·m

取效率=0.9

则电机所需扭矩T=27÷0.9N·m=30N·m

选择电机： MSMJ082G1V 750W与减速器HTF80-10-MSMJ082G

额定扭矩（最大扭矩）=45（90）N·m＞30N·m

结论

根据液化石油气钢瓶的生产和检测过程中遇到的一些问题，进行关键技术研究及产业化升级，包括优化气密性检测设备充放气流程，降低由于气体高速流动所产生的噪音，采用自动接口技术保证充气口的自动对齐，采用多重气密性检测技术杜绝安全隐患。通过研究与开发，不仅可以提升液化石油气钢瓶的气密性检测技术，还可以使液化石油气钢瓶行业的生产效率提高，以及降低了工人劳动强度，提高了生产过程的安全性，而且可以对压力容器行业自动化安装、密封性检测具有一定的指导意义，推进压力容器行业产业升级。

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挂项目号：0217510浙江省教育厅一般科研项目资助（LPG容器智能装配与多重气密性检测技术研究）