油卸车装卸鹤管与旋转接头主密封圈设计应用分析,为了解决传统油罐车油料补加系统存在劳动强度大、加注效率低、操作人员易受有毒易燃油气侵害等问题，开展了油罐车自主补油装卸鹤管的设计及分析。先根据油罐车自主补油的功能需求，在人工装卸鹤管基础上通过将手动阀门改为气动阀门，将松套法兰替换为油罐车法兰快速连接装置，以及增加液压缸驱动等方式进行了自主补油装卸鹤管的结构设计，并在旋转接头关键结构中通过增加密封件、尘封圈、止水环和防水垫片等进行了结构优化；通过前处理、载荷施加以及求解后处理等技术针对旋转接头进行了CAE分析；再通过添加运动副约束进行了补油装卸鹤管的动力学仿真分析，并获得了装卸鹤管末端关节的位移图、速度图和角加速度图。基于圆柱滚子和相关密封圈的旋转接头设计，在保证接头密封同时也有效提高了补油装卸鹤管各关节的支撑强渡，而CAE分析结果也验证其满足了强度和刚度要求。此外补油装卸鹤管的动力学分析也确保了其末端关节自主补油时的移动需求。
在原油装卸方面，目前大部分石化公司都是采用人工补油设备，现场人员通过目视来操纵设备完成对油罐车的补油工作。轻质原油具有挥发性强的特点，操作员吸入或接触一定挥发物易造成急性或慢性的苯中毒。此外，油罐车加油作业多在室外，不仅要顶着严寒酷暑，而且要进行24h轮班作业，工作量大且强。因此如何提高油罐车补油效率，减少人力成本，降低因原油挥发给操作员带来的伤害，已经成为石化行业关注的焦点。包括内臂、外臂、中间管道和旋转接头等结构的装卸鹤管是目前用于油罐车补油的主要门装备。针对汽车中转液化烃气体，设计了一种包括装卸鹤管内外臂、弯管、旋转接头等在内的万象装卸鹤管，通过接头固定装置将泄漏有效控制在可控范围内，降低了事故风险。针对LNG装车撬用设计了一种轻便式装卸鹤管系统，通过液相装卸鹤管连接到槽车加液臂进行灌装。针对安装在发油栈台上的上装式操作装卸鹤管，通过对管道连接、气液相接头等改进设计了下装式装卸鹤管，提高了油装车的生产效率。从目前已有的装卸鹤管装备来看，仍然是以人工操作为主，主要通过改进连接头等方式提高补油效率和防止泄露，仍然不具备自主补油功能。为了切实提高油罐车补油效率和安全性，具备自主补油功能的装卸鹤管是当前石化业急需智能装备。
1自主补油装卸鹤管设计
1.1装卸鹤管总体设计
为了实现油罐车的自主补油，项目组在人工装卸鹤管基础上进行了改进设计，如图1所示。包括视觉系统、对称双臂补油装卸鹤管以及控制系统。通过视觉实时识别油罐车管道接头，并基于控制系统驱动补油装卸鹤管实现储油罐和油罐车的自动、有效、安全对接。
1.油罐车2.视觉系统3.补油装卸鹤管4.控制系统
在自主补油系统中，补油装卸鹤管是关键，将原人工装卸鹤管中的手动阀门改为气动阀门，将松套法兰替换为油罐车法兰快速连接装置，在垂管与旋转接头之间增加平衡调节装置，使垂管基本处于水平状态，在旋转接头处增加液压缸驱动机构，用于推动臂的旋转，从而使得装卸鹤管各关节在视觉引导下能自动舒展并实现与油罐车对接。图2为单臂补油装卸鹤管，包括旋转接头、液压缸、平衡缸、气动阀门、关节等，满足了其在控制系统作用下能实现自动张开的条件。
1.平衡缸2.气动阀门3.一横关节4.液压缸5.旋转接头6.二横关节7.切断阀8.球阀9.法兰盘
1.2旋转接头优化设计
旋转接头是装卸鹤管横竖关节实现相对运动、完成自主补油的关键连接件，其结构优劣直接关系到装卸鹤管的密封性和强度，为此进行了如图3所示的旋转接头优化设计。内法兰盘和外法兰盘之间通过两排圆柱滚子支撑，实现了接头的相对转动，同时也提高了支撑强度；内法兰盘外壁的凹槽内装有尘封圈，实现了内外法兰盘的有效密封，防止了外部灰尘、雨、霜等进入旋转接头内部；内法兰盘内壁的凹槽内装有止水环，外套体外壁凹槽内装有次密封圈，内法兰盘和外套体之间还装有主密封圈实现了两者的有效密封。主、次密封圈主要起到耐油、防腐以及减振作用。外法兰盘和外套体之间也依次装有防水垫片、主密封圈和次密封圈。止水环和防水垫片都属于遇水膨胀型，可以起到二次堵漏止水的密封作用。
1.外套体2.次密封圈3.主密封圈4.止水环5.内法兰盘6.圆柱滚子7.尘封圈8.外法兰盘9.防水垫片
2旋转接头CAE分析
在整个自主补油装卸鹤管中，由于旋转接头承接着连续两根装卸鹤管管道的连接，无疑是设备中强度和刚度比较薄弱的环节。为了确保装卸鹤管的安全性，设计中进行了CAE分析。
2.1CAE分析前处理
为了便于分析，设计采用了Solidworks中Work-bench模块。接头中金属材料选用不锈钢材料，网格划分的大小设置为3mm长度，其中外法兰盘划分效果如图4所示。
2.2载荷施加
旋转接头的外套体和内外法兰盘通过螺栓连接，螺栓径向也会受到零件所施加相应的剪切应力，约1500N。整个旋转接头外套体会受到其他关节的拉力，约为12MPa，在施加完载荷后即可进行模型求解。
2.3求解结果后处理
图5给出了分析求解得出的应变云图、应力云图和变形云图。
由应变分析可知，螺栓连接处地方容易发生形变；由应力图可以看出，螺栓上方应力大，容易受到破坏；由变形图可以看出，当外套体轴向受力时，外套外围表面处变形大。对比3幅变形图，出于安全考虑，应力大处应被加强处理，可以对其热处理或者在其表面镀层可靠的金属，从而达到加强加固的效果。变形大处可以采取适当增加与其作用力的相反力来相互作用抵消一部分力的优化方法。
此外，通过仿真分析可以看出，应力图中大的应力值范围在71.637MPa~125.33MPa之间，小于不锈钢的许用应力值155MPa。所以，所设计旋转接头的外套结构强度和刚度能够满足使用要求。
3补油装卸鹤管动力学仿真分析
3.1补油装卸鹤管模型建立
为了便于动力学分析，将Solidworks中补油装卸鹤管模型进行简化并导入adams软件，如图6所示.
3.2运动副约束添加
根据油罐车自主补油装卸鹤管各关节进行设置，在油罐车自主补油装卸鹤管机架与大地之间添加固定约束，其余各关节根据油罐车自主补油装卸鹤管实际情况添加转动关节或者移动关节。设计中所涉及运动副为固定副、移动副和转动副，整个模型的运动副如图7所示。
3.3仿真结果及后处理
将装卸鹤管中各物体连接关系以及驱动设置好之后即进行运动仿真，运动时间为4s，运动步数为1200步，仿真界面如图8所示。
为了确保所设计自主补油装卸鹤管的安全、有效，设计中基于adams软件进行了运动仿真，并对装卸鹤管末端关节的位移、速度和角加速度进行分析。图9给出了相应的位移、速度和角速度曲线。由位移图可以看出，前2s之内线性位移值为X轴从-2800~-2200，总位移量为600mm，呈对称变化，后2s内平稳运动；由速度图可以看出，末端关节大线性速度为每秒500mm，在经过约2s后趋于稳定，前2s内速度在正负值每秒500mm区间波动，后2s停止运动，速度趋近于0；由角速度图可以看出，角加速度一开始剧烈的下降到0.264°/(m2·s)，0.1s之后缓速直线上升，趋于稳定。
针对现有石化行业人工加油存在的劳动强大、效率低以及易受有毒气体侵害的问题，设计了一种自主补油装卸鹤管。通过仿真和分析可以得出如下结论：
（1）针对现有人工操作装卸鹤管，通过用气动阀门替换手动阀，以及增加液压缸驱动等，实现了装卸鹤管自动舒展需求，使其具备了自主补油功能；
（2）针对装卸鹤管中关键旋转接头，通过增加主次密封圈、圆柱滚子、止水环和防水垫片等，有效保证了旋转接头连接管道的密封性；
（3）针对装卸鹤管旋转接头的强度和刚度问题，在施加载荷情况下，通过有限元技术验证了旋转接头外套结构满足使用要求；
（4）基于adams的动力学仿真，通过装卸鹤管末关节的运动分析进一步验证了文中所设计的补油装卸鹤管满足了自主补油时的移动要求。
