CN110259371A - 罐车内梯底端安装结构及其连接件参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及罐车的内梯，具体涉及罐车内梯底端的安装结构及其连接件参数优化方法。本发明的第一个目的是解决现有罐车内梯安装结构中存在内梯底端固定方式不合理的技术问题，提供一种罐车内梯底端安装结构；第二个目的是优化连接件参数，提供一种罐车内梯底端安装结构的连接件参数优化方法，使得连接件在与罐体和内梯连接时满足在竖直方向上和水平方向上的力学要求。该结构包括罐体和安装于罐体内部的内梯，还包括U型钢和连接件；U型钢的两个侧耳固定在罐体内的侧壁下部；连接件为条形金属片；条形金属片的一端向上弯折后形成弯折部，该弯折部与U型钢的腰部贴合并固定连接；条形金属片的另一端扭转后形成扭转部，该扭转部与内梯底部固定连接。
Description
技术领域
本发明涉及罐车的内梯，具体涉及罐车内梯底端的安装结构及其连接件参数优化方法。
背景技术
现有罐车的内梯安装结构为：内梯底部两端分别插在两个带开孔的固定结构中，固定结构焊接于罐体底部；内梯顶部两端分别用螺栓联接两块连接板，连接板焊接于罐体顶部，从而将内梯固定于罐车的罐体内。
采用上述内梯固定方式，对于内梯底端虽然能够起到一定的沿罐体内表面轴向和径向的限位作用，但是由于内梯长度一般在两米以上，而且运行中车辆会产生振动，罐体也会随之不断晃动，当工作人员上下内梯时还会产生抖动，使得内梯相对罐底固定结构产生较大的抖动，这种抖动使得内梯底端与固定结构之间产生较大的摩擦，摩擦产生的铁屑会对罐内运载介质产生较大危害，因此，这种内梯底端固定方式不够合理。
发明内容
本发明的第一个目的是解决现有罐车内梯安装结构中存在内梯底端固定方式不合理的技术问题，提供一种罐车内梯底端安装结构；
第二个目的是优化罐车内梯底端安装结构的连接件参数，提供一种罐车内梯底端安装结构的连接件参数优化方法，使得连接件在与罐体和内梯连接时满足在竖直方向上和水平方向上的力学要求。
为达到上述第一个目的，本发明提供的技术解决方案如下：
一种罐车内梯底端安装结构，包括罐体和安装于罐体内部的内梯，其特殊之处在于：还包括U型钢和连接件；
所述U型钢的两个侧耳固定在罐体内的侧壁下部；
所述连接件为条形金属片；
所述条形金属片的一端向上弯折后形成弯折部，该弯折部与U型钢的腰部贴合并固定连接；
所述条形金属片的另一端扭转后形成扭转部，该扭转部与内梯底部固定连接。
进一步地，所述弯折部通过第一螺栓与U型钢的腰部固定连接；所述扭转部通过第二螺栓与内梯底部固定连接。
进一步地，所述U型钢的腰部设置的第一螺栓过孔为长条孔；所述内梯的底部设置的第二螺栓过孔为长条孔。
进一步地，所述U型钢的两个侧耳焊接在罐体内的侧壁下部。
进一步地，所述侧耳在罐体侧壁下部的固定安装位置与罐体内最低点、最高点的距离之比为1：12。
进一步地，所述内梯的底部的侧面为平直端面，所述扭转部与该平直端面贴合并通过第二螺栓固定连接。
进一步地，所述连接件(4)的长度值和厚度值由以下公式确定：
σ-1＝0.35σb (1)；
M＝m·lr (8)；
其中，
σb为抗拉强度，单位为MPa；
σ-1为疲劳强度，单位为MPa；
[σ-1]为许用疲劳应力，单位为MPa；
σmax为最大应力，单位为MPa；
n为安全系数；
E为304不锈钢的弹性模量，单位为GPa；
wb为连接件(4)的形变最大挠度，单位为mm；
h为连接件(4)的厚度，单位为mm；
l为连接件(4)的长度，单位为mm；
b为连接件(4)的宽度，为设定值，单位为mm；
I为连接件(4)的惯性矩，单位为mm4；
Fcr为失稳极限，单位为N；
μ为失稳系数，μ＝0.7；
M为上下内梯对内梯的转矩，单位为N·m；
L为内梯长度，单位为m；
m为上下内梯人员的质量，单位为kg；
lr为人体重心距内梯面的垂直距离，单位为m。
为达到上述第二个目的，本发明提供的技术解决方案如下：
一种基于上述的罐车内梯底端安装结构的连接件参数优化方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)以304不锈钢为材料制备连接件(4)，设定弹性模量E和抗拉强度σb，根据弯折变形的经验公式确定其疲劳强度σ-1，
弯折变形的经验公式为：
σ-1＝0.35σb (1)；
选取安全系数为n，得出许用疲劳应力[σ-1]：
2)在满足连接件(4)接近无限疲劳寿命，且安全系数n适当的条件下，选取连接件(4)的最大应力值σmax，
3)假设罐车运行时在竖直方向上的连接件(4)形变最大挠度wb，将wb等效在连接件(4)与内梯(2)的相连处，运用材料力学形变与应力公式，结合步骤2)得到的连接件(4)的最大应力值σmax，得出连接件(4)的厚度h与长度l的关系式，
材料力学形变与应力公式为：
厚度h根据生产需要选择2～4mm，并推出相应的长度l；
4)将连接件(4)的厚度h和设定宽度b带入惯性矩公式，得到连接件(4)的惯性矩I，
惯性矩公式为：
再将连接件(4)的惯性矩I和步骤3)得到的连接件(4)的长度l带入水平方向失稳极限公式中,求得水平方向失稳极限力Fcr,
水平方向失稳极限公式为：
5)获取上下内梯时对连接件(4)产生的作用于内梯(2)的最大横向力，假设上下内梯对内梯的转矩为M，内梯长度为L，则横向力F横为：
M＝m·lr (8)；
6)如果Fcr≥F横，则表示选取的连接件(4)的厚度h和长度l满足要求，
如果Fcr＜F横，则不满足要求，需舍弃后重新计算。
进一步地，还包括以下步骤：
7)利用应力分析软件，模拟步骤1)～4)所得计算结果。
本发明相比现有技术具有的有益效果为：
本发明提供的罐车内梯底端安装结构及其连接件参数优化方法，改进了内梯底端的安装方式，避免了罐车运行或工作人员上下内梯时，内梯与罐底固定结构碰撞摩擦产生铁屑，造成罐内运载的介质污染。同时结合许用疲劳应力、最大疲劳应力以及失稳极限，对连接件参数进行了优化，使得使得连接件在竖直方向上承受的弯折应力趋近于最大疲劳应力，在水平方向上作用于内梯的最大横向力趋近于失稳极限。
附图说明
图1为本发明罐车内梯底端安装结构的内梯安装结构示意图，其中包含内梯顶端和底端的安装结构；
图2为本发明罐车内梯底端安装结构的主视图；
图3为本发明罐车内梯底端安装结构的俯视图；
附图标记说明：
1-罐体；2-内梯；3-U型钢；31-侧耳；32-腰部；4-连接件；41-弯折部；42-扭转部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
如图1至3所示，本发明的罐车内梯底端安装结构(如TG1型偏二甲肼铁路罐车)，包括罐体1和安装于罐体1内部的内梯2，其特征在于：还包括U型钢3和连接件4；所述U型钢3的两个侧耳31焊接在罐体1内的侧壁下部，所述侧耳31在罐体1侧壁下部的固定安装位置与罐体1内最低点、最高点的距离之比为1：12；所述连接件4为条形金属片；所述条形金属片的一端向上弯折后形成弯折部41，该弯折部41通过第一螺栓与U型钢3的腰部32贴合并固定连接，所述U型钢3的腰部32设置的第一螺栓过孔为长条孔；所述条形金属片的另一端扭转后形成扭转部42，该扭转部42通过第二螺栓与内梯2底部固定连接，具体为内梯2底部的侧面为平直端面，所述扭转部42与该平直端面贴合并通过第二螺栓固定连接；所述内梯2的底部设置的第二螺栓过孔为长条孔，两处长条孔的设置均是为了方便螺栓连接。
其中，所述连接件4的长度值和厚度值由以下公式确定：
σ-1＝0.35σb (1)；
M＝m·lr (8)；
其中，
σb为抗拉强度，单位为MPa；
σ-1为疲劳强度，单位为MPa；
[σ-1]为许用疲劳应力，单位为MPa；
σmax为最大应力，单位为MPa；
n为安全系数；
E为304不锈钢的弹性模量，单位为GPa；
wb为连接件(4)的形变最大挠度，单位为mm；
h为连接件(4)的厚度，单位为mm；
l为连接件(4)的长度，单位为mm；
b为连接件(4)的宽度，为设定值，单位为mm；
I为连接件(4)的惯性矩，单位为mm4；
Fcr为失稳极限，单位为N；
μ为失稳系数，μ＝0.7；
M为上下内梯对内梯的转矩，单位为N·m；
L为内梯长度，单位为m；
m为上下内梯人员的质量，单位为kg；
lr为人体重心距内梯面的垂直距离(也即人员上下内梯时胳膊伸展的长度)，单位为m(以上公式根据设计中具体需要进行设定，计算中按照给定单位带入数据进行运算，最后结果以所得数值为准)。
本发明还提供了基于上述的罐车内梯底端安装结构的连接件参数优化方法，包括以下步骤：
1)以304不锈钢为材料制备连接件(4)，设定弹性模量E和抗拉强度σb，根据弯折变形的经验公式确定其疲劳强度σ-1，
弯折变形的经验公式为：
σ-1＝0.35σb (1)；
选取安全系数为n，得出许用疲劳应力[σ-1]：
2)在满足连接件(4)接近无限疲劳寿命，且安全系数n适当的条件下，选取连接件(4)的最大应力值σmax，
3)假设罐车运行时在竖直方向上的连接件(4)形变最大挠度wb，将wb等效在连接件(4)与内梯(2)的相连处，运用材料力学形变与应力公式，结合步骤2)得到的连接件(4)的最大应力值σmax，得出连接件(4)的厚度h与长度l的关系式，
材料力学形变与应力公式为：
厚度h根据生产需要选择2～4mm，并推出相应的长度l；
4)将连接件(4)的厚度h和设定宽度b带入惯性矩公式，得到连接件(4)的惯性矩I，
惯性矩公式为：
再将连接件(4)的惯性矩I和步骤3)得到的连接件(4)的长度l带入水平方向失稳极限公式中,求得水平方向失稳极限力Fcr,
水平方向失稳极限公式为：
5)获取上下内梯时对连接件(4)产生的作用于内梯(2)的最大横向力，假设上下内梯对内梯的转矩为M，内梯长度为L，则横向力F横为：
M＝m·lr (8)；
6)如果Fcr≥F横，则表示选取的连接件(4)的厚度h和长度l满足要求，如果Fcr＜F横，则不满足要求，需舍弃后重新计算。
7)利用应力分析软件，模拟步骤1)～4)所得计算结果。
本发明在满足原有功能性要求的基础上做一些结构及安装方式优化，在内梯2与罐体1底部之间用一种机械连接件联接，连接件4的参数优化中运用到了经典材料力学形变与应力公式，以及横向力作用下失稳极限公式等，再用应力分析软件，模拟计算结果。
当罐体1运行时，综合各种形变因素，达到内梯2上下最大振幅为例，选择一个合适的连接件4尺寸，使其满足功能和使用要求。经过上述结构改进和连接件4参数优化，使得内梯2在罐内安装稳固，克服了原有内梯2在使用中发生的抖动与摩擦的问题，同时提高了连接件4的使用寿命。不仅满足了罐体1行驶中沿竖直和水平方向振动的结构要求，也使内梯2不摩擦产生铁屑，避免了对运载介质造成污染。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种罐车内梯底端安装结构，包括罐体(1)和安装于罐体(1)内部的内梯(2)，其特征在于：还包括U型钢(3)和连接件(4)；
所述U型钢(3)的两个侧耳(31)固定在罐体(1)内的侧壁下部；
所述连接件(4)为条形金属片；
所述条形金属片的一端向上弯折后形成弯折部(41)，该弯折部(41)与U型钢(3)的腰部(32)贴合并固定连接；
所述条形金属片的另一端扭转后形成扭转部(42)，该扭转部(42)与内梯(2)底部固定连接。
2.根据权利要求1所述的罐车内梯底端安装结构，其特征在于：所述弯折部(41)通过第一螺栓与U型钢(3)的腰部(32)固定连接；所述扭转部(42)通过第二螺栓与内梯(2)底部固定连接。
3.根据权利要求2所述的罐车内梯底端安装结构，其特征在于：所述U型钢(3)的腰部(32)设置的第一螺栓过孔为长条孔；所述内梯(2)的底部设置的第二螺栓过孔为长条孔。
4.根据权利要求3所述的罐车内梯底端安装结构，其特征在于：所述U型钢(3)的两个侧耳(31)焊接在罐体(1)内的侧壁下部。
5.根据权利要求4所述的罐车内梯底端安装结构，其特征在于：所述侧耳(31)在罐体(1)侧壁下部的固定安装位置与罐体(1)内最低点、最高点的距离之比为1：12。
6.根据权利要求5所述的罐车内梯底端安装结构，其特征在于：所述内梯(2)的底部的侧面为平直端面，所述扭转部(42)与该平直端面贴合并通过第二螺栓固定连接。
7.根据权利要求1至6任一所述的罐车内梯底端安装结构，其特征在于：所述连接件(4)的长度值和厚度值由以下公式确定：
σ-1＝0.35σb (1)；
M＝m·lr (8)；
其中，
σb为抗拉强度，单位为MPa；
σ-1为疲劳强度，单位为MPa；
[σ-1]为许用疲劳应力，单位为MPa；
σmax为最大应力，单位为MPa；
n为安全系数；
E为304不锈钢的弹性模量，单位为GPa；
wb为连接件(4)的形变最大挠度，单位为mm；
h为连接件(4)的厚度，单位为mm；
l为连接件(4)的长度，单位为mm；
b为连接件(4)的宽度，为设定值，单位为mm；
I为连接件(4)的惯性矩，单位为mm4；
Fcr为失稳极限，单位为N；
μ为失稳系数，μ＝0.7；
M为上下内梯(2)对内梯(2)的转矩，单位为N·m；
L为内梯(2)的长度，单位为m；
m为上下内梯(2)人员的质量，单位为kg；
lr为人体重心距内梯面的垂直距离，单位为m。
8.一种基于权利要求7所述的罐车内梯底端安装结构的连接件参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以304不锈钢为材料制备连接件(4)，设定弹性模量E和抗拉强度σb，根据弯折变形的经验公式确定其疲劳强度σ-1，
弯折变形的经验公式为：
σ-1＝0.35σb (1)；
选取安全系数为n，得出许用疲劳应力[σ-1]：
2)在满足连接件(4)接近无限疲劳寿命，且安全系数n适当的条件下，选取连接件(4)的最大应力值σmax，
3)假设罐车运行时在竖直方向上的连接件(4)形变最大挠度wb，将wb等效在连接件(4)与内梯(2)的相连处，运用材料力学形变与应力公式，结合步骤2)得到的连接件(4)的最大应力值σmax，得出连接件(4)的厚度h与长度l的关系式，
材料力学形变与应力公式为：
厚度h根据生产需要选择2～4mm，并推出相应的长度l；
4)将连接件(4)的厚度h和设定宽度b带入惯性矩公式，得到连接件(4)的惯性矩I，
惯性矩公式为：
再将连接件(4)的惯性矩I和步骤3)得到的连接件(4)的长度l带入水平方向失稳极限公式中,求得水平方向失稳极限力Fcr,
水平方向失稳极限公式为：
5)获取上下内梯(2)时对连接件(4)产生的作用于内梯(2)的最大横向力，假设上下内梯(2)对内梯(2)的转矩为M，内梯(2)的长度为L，则横向力F横为：
M＝m·lr (8)；
6)如果Fcr≥F横，则表示选取的连接件(4)的厚度h和长度l满足要求，如果Fcr＜F横，则不满足要求，需舍弃后重新计算。
9.根据权利要求8所述的罐车内梯底端安装结构的连接件参数优化方法，其特征在于，还包括以下步骤：
7)利用应力分析软件，模拟步骤1)～4)所得计算结果。
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