30+t级乳胶基质配送车的设计研究.pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１８. ０１. ００７ ３０ ｔ 级乳胶基质配送车的设计研究 ❋ 张小勇 周 宇 杨敏会 杜华善 陈红刚 中国葛洲坝集团易普力股份有限公司重庆，４０１１２１ [摘 要] 设计开发了乳胶基质配送罐车、复合保温系统及车载乳胶基质泵送系统，结合负载敏感液压技术及余 料报警功能，避免了乳胶基质泵送过程中超压、空转，保证了卸料过程的安全性，提高了卸料效率，实现了操作的便 捷性。 利用有限元程序对承载式罐体结构进行了优化设计和受力分析，载运乳胶基质最高可达 ３１ ｔ 以上。 解决了 乳胶基质大吨位、高效率、安全可靠配送的技术难题。 [关键词] 乳胶基质；配送；大吨位；安全；运输车 [分类号] ＴＤ２３５. ２ ＋１ ；ＴＱ５６０ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｎ Ｅｍｕｌｓｉｏｎ Ｍａｔｒｉｘ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ３０ Ｔｏｎｓ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｙｏｎｇ， ＺＨＯＵ Ｙｕ， ＹＡＮＧ Ｍｉｎｈｕｉ， ＤＵ Ｈｕａｓｈａｎ， ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇｇａｎｇ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｃｏ. ， Ｌｔｄ. ， Ｃｈｉｎａ Ｇｅｚｈｏｕｂａ Ｇｒｏｕｐ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ， ４０１１２１ [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｔａｎｋｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ， ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｖｅｈｉｃｕｌａｒ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ. Ｗｉｔｈ ｌｏａｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｕｒｐｌｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｌａｒｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｒａｃｉｎｇ ｉｎ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｐｕｍｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｅｄ， ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ， ｄｉｓｃｈａｒ- ｇｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ， ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ. Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｔａｎｋ ｗａｓ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ３１ ｔ. Ｉｔ ｈａｓ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｌａｒｇｅ-ｔｏｎｎａｇｅ， ｈｉｇｈ-ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ ｏｆ ｅ- ｍｕｌｓｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ. [ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ； ｄｅｌｉｖｅｒｙ； ｌａｒｇｅ-ｔｏｎｎａｇｅ； ｓａｆｅｔｙ； ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｖｅｈｉｃｌｅ 引言 乳胶基质远程配送技术是国外现场混装爆破工 程应用中的一项成熟技术，乳胶基质配送车能够实 现乳胶制备与现场混装炸药相结合，是实现乳胶基 质远程配送功能的关键设备[１]。 随着现场混装炸 药技术的应用推广，现场混装乳化炸药在矿山、基建 等爆破工程的需求逐年提升，对乳胶基质的需求越 来越大。 目前，国内部分民爆企业在国家倡导的民 爆一体化政策鼓励下，开展了乳胶基质配送车的研 制工作，研制生产的乳胶基质配送车装载量大多为 １５ ｔ，且没有合理的泵送系统及伴热保温结构；而国 外乳胶基质配送车装载量达到３０ ｔ 以上；相比之下， 显现出了国内乳胶基质配送车运行成本高、效率低 等缺点，严重制约了民爆一体化的发展。 因此，设计 与研制高装载量的乳胶基质配送车已成为民爆行业 未来发展的要求。 乳胶基质是生产现场混装乳化炸药和现场混装 重铵油炸药的主要半成品， 联合国编码为 ＵＮ. ３３7５[２]，可作为液态危险货物的 ５. １ 项氧化剂进行 运输。 公路运输时，乳胶基质必须取得有资质单位 的检测报告，即按照联合国关于危险货物运输的 建议书 试验和标准手册第五修订版系列 ８ 试 验[３-４]检验合格。 承载式双锥半挂罐车具有重心低、 运输安全的特点，且罐体自身能起到车架作用，有效 降低整车装备质量、大幅提高运载量，因而承载式双 锥半挂罐车是运输乳胶基质最有效的运载载体。 本文中，介绍了乳胶基质配送车罐体的设计，还 设计了罐体的保温系统和卸料系统，以保证现场混 第 ４7 卷 第 １ 期 爆 破 器 材 Ｖｏｌ. ４7 Ｎｏ. １ ２０１８ 年 ２ 月 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｆｅｂ. ２０１８ ❋ 收稿日期２０１7-０６-２９ 作者简介张小勇１９7６ － ，男，工程师，主要从事工业炸药技术与装备方面的研究。 Ｅ-ｍａｉｌｋａｉｘｉｎｚｘｙ＠１６３. ｃｏｍ 装炸药的性能以及生产的便捷性。 并利用商用程序 对罐体的力学性能进行了数值分析。 １ 乳胶基质配送车的设计 １. １ 乳胶基质配送罐车 乳胶基质是一种非牛顿假塑性流体，当乳胶基 质的剪切应力超过其屈服应力后，乳胶基质会流动， 且其流动性为线性[５-６]；当乳胶基质的剪切应力小于 其屈服应力时，乳胶基质无流动性。 乳胶基质配送 车如简单地采用普通罐体运载，乳胶基质配送车卸 料时会出现无法将乳胶基质全部流出的现象。 为保 证乳胶基质在罐体内具有一定的流动性，罐体应具 备一合适的锥角 φ。 为方便分析，将罐体看做一倾 斜放置的大口径管道，对储存在锥罐内的乳胶基质 取一乳胶基质圆柱单元进行受力分析图 １。 图 １ 乳胶基质受力分析图 Ｆｉｇ. １ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ 由图 １ 可知，乳胶基质沿圆柱单元轴线流动时， 其 ｐ１与 ｐ２压差公式如下 ｐ１－ ｐ２＝ ３２ηｐｖ Ｄ２ ＋ １６ ３ τ０ Ｄ ＋ ρ ｄｖ ｄｔ ＋ ρｇｓｉｎφ [] Ｌ。１ 式中ｐ１、ｐ２为乳胶基质圆柱单元两端的压强；ηｐ为 乳胶基质黏度系数；Ｄ 为管道直径； Ｌ 为乳胶基质 圆柱单元流过管道长度；φ 为乳胶基质圆柱单元倾 角；τ０为乳胶基质屈服应力；ｄｖ/ ｄｔ 为乳胶基质流动 速率；ρ 为乳胶基质密度。 从式１可知，乳胶基质流动与管径、乳胶基质 流动速率、乳胶基质圆柱单元倾角等有关。 在乳胶 基质实际流动时，往往是按一个恒定速率流动，即 ｄｖ/ ｄｔ ＝０，由此可知，当罐体倾角越大，乳胶基质越 容易流动。 同时，为取得乳胶基质屈服应力 τ０，采 用 Ｒ/ Ｓ ＋ 流变仪图 ２对乳胶基质进行了屈服应力 流变试验，取得了乳胶基质屈服应力 τ０＝ ２９ Ｐａ图 ３，即当乳胶基质受到的剪切应力大于屈服应力 τ０ 图 ２ Ｒ/ Ｓ ＋ 流变仪 Ｆｉｇ. ２ Ｒ/ Ｓ ＋ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ 图 ３ 流变特性数据 屈服应力 Ｆｉｇ. ３ Ｄａｔａ ｏｆ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ＝２９ Ｐａ 时，乳胶基质就会流动。 为使乳胶基质配送车具有较高的经济性，即在 符合国家道路运输相关法规、标准的情况下，每次运 输的量尽量达到最大，同时，为防止运输过程发生翻 车，整车重心在可正常行驶的结构基础上保证最低。 据此设计开发了牵引车拖挂双锥罐式半挂车的乳胶 基质配送车结构形式图 ４。 该罐车采用轻量化、 双锥角罐体结构图 ５，在充分降低整车重心的基 础上充分利用双锥罐体的强度、刚度，将一般半挂车 具有的牵引车架省略，由双锥罐体承担牵引车架，半 挂车的纵向载荷完全可以由罐体来承担。 这种由罐 体作为车架一部分的结构，其罐体除作为容器外，还 起车架作用，有效减少了整车装备质量。由于省去 图 ４ 乳胶基质配送车 Ｆｉｇ. ４ Ｅｍｕｌｓｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ８３ 爆 破 器 材 第 ４7 卷第 １ 期 图 ５ 双锥罐体 Ｆｉｇ. ５ Ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ ｔａｎｋｓ 了车架部分质量，所以，在总质量一定的情况下，装 载质量要比普通罐车大，整车可运载乳胶基质 ３０ ｔ 以上。 １. ２ 乳胶基质配送车复合保温系统 图６为热水伴热加物理隔热的复合保温系统。 ａ加热器 ｂ热水伴热循环管路图 ｃ复合保温结构 图 ６ 复合保温系统 Ｆｉｇ. ６ Ｈｅａｔ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 乳胶基质是一种油包水型乳化液，是一种不稳定的 热力学体系。 在温度下降时，不仅黏度会变大，而且 短时间内敏化密度难以满足生产标准，直接影响现 场混装乳化炸药的性能。 因而，乳胶基质在配送时 应具有保温系统，据此设计了乳胶基质的复合保温 系统，即设计了热水伴热加物理隔热的复合保温系 统。 保温材料的性质见表 １。 表 １ 保温材料性质 Ｆｉｇ. １ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ 隔热 材料 最高使 用温度/ ℃ 推荐使 用温度/ ℃ 使用高度/ ｋｇｍ －３ 导热系数 参考公式/ [Ｗｍ℃ －１] 聚氨酯≤１１０３０ ６０ λ ＝０. ０２４ ＋ ０. ０００１４Ｔｍ 离心 玻璃棉 ３５０３００≥４５ λ ＝０. ０３１ ＋ ０. ０００１7Ｔｍ 硅酸 铝棉 ≤４００６４ λ ＝０. ０４２ ＋ ０. ０００２Ｔｍ 实施方式是在罐车前端安装一个热水加热装 置，双锥罐外壁布置热水循环伴热管道，利用循环泵 使热水在伴热管道内循环流动，补偿双锥罐内乳胶 基质损失的热量；同时，在伴热管外敷设玻璃棉及聚 氨酯复合保温结构，有效利用玻璃棉较高的耐热性 及聚氨酯较低的导热性，保证更好的绝热效果。 伴热和复合保温系统减少了乳胶基质配送车在 长距离运输过程中的热量损失，在冬季低温情况下， 使乳胶基质温度的波动范围控制在 ２ ４ ℃１２ ｈ 之间，乳胶基质温度保持在合理范围内，保障了生产 炸药的性能，解决了乳胶基质长距离运输中的保温 ９３２０１８ 年 ２ 月 ３０ｔ 级乳胶基质配送车的设计研究 张小勇，等 难题。 １. ３ 乳胶基质配送车卸料系统 为提高乳胶基质配送车卸料效率，实现操作的 便捷性，设计了两种卸料方式，即泵送卸料和重力卸 料，并可由设置在同一回路的气动球阀自由切换。 泵送卸料时，流量可达每小时 ５０ ｍ３，扬程可达 ２０ ｍ，泵送效率高，操作便捷；同时，也可在具有较好地 势高差的环境采用重力卸料，不需要消耗动力，节能 环保，如图 7 所示。 泵送系统主要由橡胶凸轮转子泵图 ８及负载 敏感液压系统组成。 橡胶凸轮转子泵在运转过程 中，由驱动齿轮和从动齿轮带动两个相互啮合的橡 胶转子转动，形成变化的容积，转子与转子、转子与 泵体之间保持一定间隙的无滑动摩擦；同时，凸轮转 子运行转速低、排量大，有效地避免了可能产生的乳 胶基质热累积，与螺杆泵相比，泵送安全可靠，卸料 效率高。 为保障泵送安全，设计了防止泵空转的安全措 施 余料报警系统，即在罐体底部容积约 ２ ｍ３处 设置电容式物位计图 ９。 通过电控控制系统实时 监测罐体内剩余的物料，当卸载物料少于 ２ ｍ３时发 出声光报警，有效提醒操作人员罐车物料已接近泵 送完成，促使卸料人员按卸料操作工艺完成卸料停 机工作。 １. ４ 整车参数 乳胶基质配送车整车尺寸长１４. ８４ ｍ，宽２. ５ ａ 卸料原理图 ｂ 卸料走向 ｃ 卸料出口 图 7. 卸料系统 Ｆｉｇ. 7 Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 图 ８ 橡胶凸轮转子泵 Ｆｉｇ. ８ Ｒｕｂｂｅｒ ＣＡＭ ｒｏｔｏｒ ｐｕｍｐ ａ原理图 ｂ实物图 图 ９ 余料报警系统 Ｆｉｇ. ９ Ｓｕｒｐｌｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｌａｒｍ ｓｙｓｔｅｍ ０４ 爆 破 器 材 第 ４7 卷第 １ 期 ｍ，高 ３. ９ ｍ；罐车装载质量 ３１. ８ ｔ；卸料效率可以达 到 7００ ｋｇ/ ｍｉｎ。 ２ 基于有限元数值模拟分析乳胶基质 配送车罐体 ２. １ 模型及材料的选择 罐体 使 用 ＡＮＳＹＳ 进 行 有 限 元 分 析， 采 用 ＭＥＳＨ２００ 单元建模。 罐体、封头和防浪板的材料是 ３０４，前、后车架支座等材料是 Ｑ３４５Ａ，材料机械性能 见表 ２。 ２. ２ 计算模型边界条件 为模拟罐体结构与周围其他结构之间的受力作 用，悬架和牵引销处采用固定约束。 ２. ３ 计算工况 数值分析载荷以罐车３１. ８ ｔ满载进行计算，按 照国家标准[7-８]，各种工况如下 １沿行驶方向，即纵向双倍的总质量；该方向 上作用的载荷即车辆行驶过程中紧急制动时产生的 冲击载荷。 ２与行驶方向成直角，即横向单倍的总质量； 该载荷为车辆行驶过程中急速转弯时产生的离心载 荷。 ３垂直向上单倍的总质量；该载荷为车辆高 速行驶过程中遇到突起的路面时产生的载荷。 ４垂直向下双倍的总质量；该载荷为车辆高 速行驶过程中遇到路面凹坑时产生的载荷。 ２. ４ 计算结果 根据表 ２ 材料建立的力学模型，对其加上载荷 和边界条件后，用 ＡＮＳＹＳ 有限元软件进行计算求 解，得到各工况下罐体结构的应力图，如图 １０ 所示。 图 １０ 中，应力单位为 ＭＰａ，Ｍａｘ 表示最大应力，Ｍｉｎ 表示最小应力。 表 ２ 材料机械性能 Ｔａｂ. ２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ 材料 密度/ ｋｇｍｍ －３ 弹性模量/ ＭＰａ 最小抗拉强度/ ＭＰａ 屈服强度/ ＭＰａ 泊松比 许用应力/ ＭＰａ ３０４7. ９３ １０ －６ ２. ００ １０５５１５２０５０. ３３１５３. 7５ Ｑ３４５Ａ7. ８５ １０ －６ ２. ０６ １０５５０９３４５０. ３３２５８. 7５ ａ纵向双倍总质量ｂ横向单倍总质量 ｃ垂直向上单倍总质量ｄ垂直向下双倍总质量 图 １０ 各种工况下罐体的应力图 Ｆｉｇ. １０ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋｅｒ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ １４２０１８ 年 ２ 月 ３０ｔ 级乳胶基质配送车的设计研究 张小勇，等 最大应力分别发生在防浪板结构处及支座部分，分 别为 １２０. １7 ＭＰａ 和 ２２４. ２４ ＭＰａ，均小于材料的许 用应力见表 ２，在材料允许范围内，能够满足要 求。 计算结果表明罐车装满３１. ８ ｔ 乳胶基质，罐体 考虑上述静态及动态载荷的影响时，其结构强度满 足设计要求。 ３ 结论 １基于乳胶基质流变特性的研究，确定了可使 乳胶基质顺畅流动的双锥体参数；基于有限元分析， 开展了承载式罐体结构的优化设计，既减少了车身 质量，又有效提高了装载量，载运乳胶基质最高可达 ３１ ｔ 以上。 乳胶基质配送车现已实现工业化试验， 其载运乳胶基质最高可达 ３２ ｔ，解决了乳胶基质大 吨位、高效率、安全可靠配送的技术难题。 ２设计研发了车载乳胶基质泵送系统，结合负 载敏感液压技术及余料报警功能，避免了乳胶基质 泵送过程中的超压、空转，保证了卸料过程的安全， 并提高了卸料效率，实现了操作的便捷性。 ３设计研发了玻璃棉和聚氨酯的复合保温结 构，减少了乳胶基质运输过程中的热量损失，保证了 乳胶基质温度控制要求，节能环保，更好地适应了远 程配送。 乳胶基质配送车对现场混装爆破作业技术的发 展意义重大，符合民爆行业产业政策和技术发展方 向，为民爆行业发展现场混装一体化服务模式提供 了硬件支撑；同时，通过应用该车提升了炸药性能和 爆破效果，对提高工程质量具有重要意义，社会、经 济效益显著，应用前景广阔。 参 考 文 献 [１] 李宏兵. 乳胶远程配送系统相关技术研究[Ｊ]. 爆破， ２０１０，２7２８８-９１. 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