CN114406552B - 一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法，包括如下步骤：(1)将轴向筋板沿壳体轴向通过焊接方式固定在壳体外圆周上，且若干个所述轴向筋板等间距分布；(2)将环向筋板沿壳体环向通过焊接方式与轴向筋板固定，且若干组所述环向筋板等间距分布；其中，轴向筋板为整体结构，环向筋板为分段结构，每组环向筋板包括若干个扇形筋板，每组环向筋板的扇形筋板依次沿壳体环向焊接固定在相邻两个轴向筋板之间。本发明的焊接制造方法中，轴向筋板与环向筋板组成的十字型接头的焊缝位于环向筋板上，通过这种方法焊接制造的转鼓式压滤机具有良好的疲劳性能。

Description

一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法

技术领域

本发明涉及转鼓式压滤机焊接制造技术领域，具体涉及一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法。

背景技术

PTA(精对苯二甲酸)被称为聚酯行业的“龙头”，关系到日常生活的各个方面，近几年国内需求量更是稳步提升。目前PTA生产大部分采用过滤、多级洗涤以及干燥一体化的转鼓式压滤设备，转鼓式压滤机具有过滤、多级洗涤、干燥、分离等不同的腔室，且转鼓式压滤机的过滤、洗涤、干燥的腔室均具有一定的压力，储存滤饼的转鼓栅格在旋转过程中通过不同的带压腔室，从而经历一个复杂的受力和疲劳过程。而转毂栅格是由横向筋板与环向筋板焊接而成，具有大量的十字型接头，且焊接接头由于在承受交变载荷的时候，承受能力远低于母材，仅为母材的25％～80％，很容易发生疲劳开裂，80％焊接结构失效是由接头疲劳破坏引起的。且由于焊接接头的布置复杂，同时焊接顺序以及焊缝数量也多种多样，早期的转鼓焊接制造方法主要基于静载强度设计，没有考虑抗疲劳设计，导致现有的压滤机焊接制造方法并不规范，且目前也还没有一个确定的方案可以实现焊接制造方法优化，导致在国内外压滤机的运行过程中，多次出现内转毂焊接接头疲劳开裂问题，且有些转鼓压滤机仅运行3年就出现开裂，影响企业正常生产。

为了避免上述问题的发生，理想方案是对内转毂进行整体锻造，避免存在焊接接头，但是由于压滤机具有多个规格的设备，转毂尺寸并不统一，针对不同的尺寸生产一套模具价格昂贵，成本高，并不可取。因此，对于转鼓式压滤机转鼓，仍需采用焊接方法制造成型，并需要提出一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法，来提高转鼓式压滤机的抗疲劳性能，以提高转鼓式压滤机的使用寿命。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法。

为实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法，所述转毂包括壳体、轴向筋板及环向筋板，轴向筋板及环向筋板焊接固定在转鼓壳体外圆周上，且轴向筋板与环向筋板相互垂直并通过焊接方式固定，所述轴向筋板与环向筋板焊接位置处形成十字型接头，所述轴向筋板设置若干个，所述环向筋板设置若干组，包括如下步骤：

(1)将轴向筋板沿壳体轴向通过焊接方式固定在壳体外圆周上，且若干个所述轴向筋板等间距分布；

(2)将环向筋板沿壳体环向通过焊接方式与轴向筋板固定，且若干组所述环向筋板等间距分布；

所述步骤(1)中，轴向筋板为整体结构，所述轴向筋板的两端及底部均与壳体焊接固定；

所述步骤(2)中，每组环向筋板为分段结构，每组环向筋板包括若干个扇形筋板，每组环向筋板的扇形筋板依次沿壳体环向焊接固定在相邻两个轴向筋板之间。

进一步地，所述步骤(2)中，在焊接时，将每个轴向筋板与其两侧扇形筋板作为一组进行焊接，每个轴向筋板与其两侧的扇形筋板形成十字型接头，然后采用焊接方式将每个十字型接头依次焊接。

进一步地，每个所述十字型接头采用双道焊焊接方式，每个十字型接头均包括四组焊缝，且每组焊缝均包括位于内圈的第一道焊缝及位于外圈的第二道焊缝。

进一步地，所述十字型接头的焊接顺序为先焊接四组焊缝中内圈的第一道焊缝，然后焊接外圈的第二道焊缝。

进一步地，在焊接十字型结构的内圈第一道焊缝及外圈第二道焊缝时，采用对角焊接的方式，且第二道焊缝焊接顺序与第一道焊缝焊接顺序相同。

进一步地，所述十字型接头的焊缝位于环向筋板上。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的焊接制造方法中，使轴向筋板与环向筋板组成的十字型接头的焊缝位于环向筋板上，经分析环向筋板相对于轴向筋板，其两侧的压力波动很小，从而使焊接接头的疲劳性能会显著提升；通过有限元分析以及ASME评估疲劳寿命，本发明的焊接制造方式，焊接接头处的Mises应力降低了19MPa，经分析转鼓式压滤机的疲劳寿命提升近20倍；

(2)本发明还对轴向筋板与环向筋板组成的十字型接头的焊缝焊接顺序进行了分析，确定焊接顺序为先采用对角焊接方式焊接内圈四组焊缝的第一道焊，然后再采用对角焊接方式焊接四组焊缝的第二道焊，这种方式焊接残余应力小，可进一步降低转鼓式压滤机的疲劳损伤。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例1中所建立的两种焊接方式的转鼓整体模型；

图2是本发明实施例1中两种焊接方式下的轴向筋板与环向筋板组成的十字型接头及焊接位置图；

图3是本发明实施例1所建立的两种焊接方式的局部十字型接头模型的应力分布图；

图4是本发明实施例1中十字型接头的焊接顺序图；

图5是本发明实施例1中不同焊接顺序下焊接残余应力分布图。

图中标注：1.壳体；2.轴向筋板；3.环向筋板。

具体实施方式

为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例和附图对本发明做详细说明。

实施例1

本实施例1以某国产转鼓式压滤机为例，详细说明本发明所提供的一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法的确定过程，得到一种最优的转鼓抗疲劳焊接制造方法。

对于一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法的确定过程，主要包括如下步骤：

(1)确定转鼓十字焊接接头的焊接方式

首先，建立两种转鼓整体模型，如图1所示，即传统焊接方式-以轴向筋板作为分段式，以环向筋板作为整体结构，十字型接头的焊缝位于轴向筋板两侧；本发明的焊接方式-以环向筋板作为分段式，以轴向筋板作为整体结构，十字型接头的焊缝位于环向筋板两侧，如图2所示，其中图2(a)为传统焊接方式，图2(b)为本发明的焊接方式；根据所建立的转鼓整体模型，采用瞬态分析法，分析转鼓式压滤机的进料过滤区、洗涤区、干燥区和卸料区的动态工艺过程，将进料过滤区、洗涤区、干燥区及卸料区的实际运行工况的疲劳载荷数据作为静载荷加载到所建立的转鼓整体模型的相应区域，生成网格并提交计算，即得到转鼓整体模型的应力分布，并找出最大应力位置，其对应的工况即为转鼓式压滤机的疲劳工况；

上述瞬态分析法分析过程具体为：在有限元软件中将所建立的转鼓整体模型划分为4个连续的区域一、二、三、四，每个区域包含结构及数量完全相同的十字型接头，所述区域一、二、三、四分别对应进料过滤区、洗涤区、干燥区及卸料区；以转鼓整体模型区域一、二、三、四中的第一个十字型接头作为参照，分别记为接头Ⅰ、接头Ⅱ、接头Ⅲ及接头Ⅳ；采用瞬态分析，当转鼓处于静止状态时，接头Ⅱ、接头Ⅲ及接头Ⅳ相当于接头Ⅰ旋转至区域二、区域三及区域四时对应的状态，即转鼓整体模型上每一个十字型接头表示接头Ⅰ在不同时刻的状态，以此代替接头Ⅰ旋转一周经历的动态过程，将压滤机实际运行工况的载荷数据作为静载荷加载到所建立的转鼓整体模型的相应区域，生成网格并提交计算，即得到转鼓整体模型的应力分布；分析有限元计算的转鼓整体模型及其应力分布，可以直观地看出压滤机转鼓在不同工艺过程及其交界位置处应力分布。

其次，采用子模型技术，将得到的最大应力位置处的十字型接头建立局部十字型接头模型，并将整体模型计算得到的有限元结果作为边界条件作用到局部十字型接头模型上，然后在局部模型上施加最大应力位置对应的疲劳工况，局部模型的载荷和与边界条件和整体模型保持一致，并且将整体模型的节点位移结果场插值到局部模型的切割，并提交计算，得到疲劳工况下的局部十字型接头的应力分析结果，如图3所示；从图3的有限元分析结果来看，本发明的焊接方式与传统焊接方法相比，焊接接头处的Mises应力降低了19MPa，并基于ASME方法根据所得到的Mises应力评估预测转鼓的疲劳寿命，采用本发明的焊接方式，疲劳寿命可提升近20倍。

通过上述方法确定转鼓的焊接方式为以轴向筋板作为整体结构，以环向筋板作为分段式结构，使十字型接头的焊缝位于环向筋板的两侧。

在上述确定转鼓十字接头的焊接方式过程中，我们建立转鼓模型并对其进行有限元分析，并提出了瞬态分析法及子模型技术。实际上目前对转鼓式压滤机的疲劳分析建模研究较少，类似转鼓结构旋转工况疲劳研究多采用动力学分析，但采用动力学分析方法对转鼓式压滤机进行分析时，有限元模型建模复杂且要求高，而且复杂结构有限元建模的网格划分困难，计算费时，不易收敛，这也导致了转鼓式压滤机疲劳分析受限，从而难以明确一个相对较优的焊接制造方法来提高压滤机的疲劳寿命。因此，我们通过瞬态分析法及子模型技术，将复杂整体模型简化，更精确的进行旋转工况的压滤机转鼓应力分布分析，不仅提高复杂结构的建模效率，且还提高有限元计算的速度和准确性，从而可以更好地分析转鼓的应力分布情况，进而对旋转工况下的转鼓进行疲劳分析。

(2)确定转鼓十字型接头焊缝焊接顺序

首先，建立十字型接头模型，在有限元分析软件中进行网格划分，并导入所需的焊接参数，然后对十字型接头的双道焊缝焊接结构的模拟采用生死单元法进行分析，即包括(a)采用生死单元方法，杀死所有焊缝；(b)激活第一道焊缝区域S1，并开始焊接第一道焊缝；(c)考虑后续焊道对于前一步焊道的影响作用，通过对比观测实际焊缝形貌，确定第二道焊缝对第一道焊缝的影响区域S2，并杀死S2区域的焊缝；(d)激活第二道焊缝的原始区域S3以及对第一道焊缝的影响区域S2，并开始焊接第二道焊缝；(e)最终得到第一道焊缝的区域为S1-S2，第二道焊缝的区域为S2+S3；

其次，确定十字型接头焊缝焊接顺序，由于转鼓轴向筋板及环向筋板的厚度较大，采用双道焊焊接，即每组焊缝包括两道焊，共形成8条焊缝，将上述8条焊接划分为7种焊接顺序，具体焊接顺序如图4(a)-(g)所示；并对图4中(a)-(g)7中焊接顺序的十字型接头进行残余应力模拟，得到各种焊接顺序下的应力场分布，如图5(a)-(g)所示，根据所得到的应力场分析结果，对7种焊接顺序下的焊接残余应力进行比较。

具体地，参照图4，(a)与(b)为顺时针焊接，(c)和(d)为逆时针焊接，(e)、(f)、(g)为对角依次焊接。其中，(a)为顺时针完成每个方向的两道焊缝；(b)为先顺时针完成每个方向内圈的第一道焊缝，然后再顺时针完成每个方向外圈的第二道焊缝；(c)为逆时针完成每个方向的两道焊缝；(d)为先逆时针完成每个方向内圈的第一道焊缝，然后再逆时针完成每个方向外圈的第二道焊缝；(e)为先完成一个方向的两道焊缝，然后进行对角方向两道焊缝的焊接；(f)为先完成其中一个对角方向的内圈第一道焊缝，然后再进行该对角方向的外圈第二道焊缝焊接，然后按照相同的方式进行另一个对角方向的内圈及外圈焊缝焊接；(g)为先完成其中一个对角方向的内圈第一道焊缝，然后再对另一个对角方向内圈第一道焊缝焊接，然后按照相同的方式进行第二圈焊缝焊接。

参照图5，从图5中可以看出，无论是对角焊接还是顺逆时针焊接，首先进行内圈焊道焊接，然后再进行外圈焊道焊接的残余应力要小于首先完成一个方位的两道焊缝焊接。具体地，(a)比(b)焊接峰值纵向残余应力大40MPa，(c)比(d)焊接峰值纵向残余应力大51MPa，(e)比(f)焊接峰值纵向残余应力大62MPa，比(g)焊接峰值纵向残余应力大86MPa；因此，排除(a)、(c)、(e)。其次，通过对比顺时针焊接、逆时针焊接以及对角焊接发现，先进行内圈对角焊接，在进行外圈对角焊接的方式具有最小的焊接峰值残余应力，具体地，(g)比(b)峰值纵向残余应力小37MPa，比(d)小30MPa，比(f)小24MPa。因此，在焊接时可首选对角焊接，且先完成其中一个对角方向的内圈第一道焊缝，然后再对另一个对角方向内圈第一道焊缝焊接，然后按照相同的方式进行第二圈焊缝焊接。

通过上述步骤(1)及步骤(2)所确定的焊接制造方法为：以轴向筋板作为整体结构，以环向筋板作为分段式结构，使十字型接头的焊缝位于环向筋板的两侧，其在焊接时采用对角焊接，且先完成其中一个对角方向的内圈第一道焊缝，然后再对另一个对角方向内圈第一道焊缝焊接，然后按照相同的方式进行第二圈焊缝焊接；其中，轴向筋板设置若干个，且若干个轴向筋板沿壳体外圆周等间距分布；环向筋板设置若干组，若干组环向筋板沿壳体轴向等间距分布，且每组环向筋板均为分段结构，每组环向筋板包括若干个扇形筋板。

该焊接制造方法具体包括如下步骤：

首先，先将轴向筋板沿壳体轴向通过焊接方式固定在壳体外圆周上，轴向筋板的两端及一侧侧面均与壳体焊接固定；

其次，将每组环向筋板的扇形筋板依次沿壳体环向焊接固定在相邻两个轴向筋板之间，具体地，在焊接时，先焊接扇形筋板内侧与壳体外圆周接触面，然后将一个轴向筋板及其两侧的扇形筋板作为一组十字型接头，将轴向筋板与扇形筋板划分为若干个十字型接头，以十字型接头方式焊接，且每个十字型接头包括四组焊缝，每组焊缝包括两道焊，十字型接头中四组焊缝的焊缝顺序为先完成其中一个对角方向的内圈第一道焊缝，然后再对另一个对角方向内圈第一道焊缝焊接，然后按照相同的方式进行第二圈焊缝焊接，焊接完成后，形成若干个十字型接头，且十字型接头的焊缝位于环向筋板上。

通过上述步骤即可完成转鼓焊接，所得到的转鼓具有较长的使用寿命，且十字型接头位置处纵向残余应力也相对较小，降低转鼓疲劳损伤敏感性。

上述未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法，所述转鼓包括壳体、轴向筋板及环向筋板，轴向筋板及环向筋板焊接固定在转鼓壳体外圆周上，且轴向筋板与环向筋板相互垂直并通过焊接方式固定，所述轴向筋板与环向筋板焊接位置处形成十字型接头，其特征在于，所述轴向筋板设置若干个，所述环向筋板设置若干组，包括如下步骤：

（1）将轴向筋板沿壳体轴向通过焊接方式固定在壳体外圆周上，且若干个所述轴向筋板等间距分布；

（2）将环向筋板沿壳体环向通过焊接方式与轴向筋板固定，且若干组所述环向筋板等间距分布；

所述步骤（1）中，轴向筋板为整体结构，所述轴向筋板的两端及底部均与壳体焊接固定；

所述步骤（2）中，每组环向筋板为分段结构，每组环向筋板包括若干个扇形筋板，每组环向筋板的扇形筋板依次沿壳体环向焊接固定在相邻两个轴向筋板之间；

在焊接时，将每个轴向筋板与其两侧扇形筋板作为一组进行焊接，每个轴向筋板与其两侧的扇形筋板形成十字型接头，然后采用焊接方式将每个十字型接头依次焊接，每个所述十字型接头采用双道焊焊接方式，每个十字型接头均包括四组焊缝，且每组焊缝均包括位于内圈的第一道焊缝及位于外圈的第二道焊缝，所述十字型接头的焊接顺序为先焊接四组焊缝中内圈的第一道焊缝，然后焊接外圈的第二道焊缝，在焊接十字型结构的内圈第一道焊缝及外圈第二道焊缝时，采用对角焊接方式；即焊接顺序为先采用对角焊接方式焊接内圈四组焊缝的第一道焊，然后再采用对角焊接方式焊接四组焊缝的第二道焊；具体确定方法为：

a．确定转鼓十字焊接接头的焊接方式

首先，建立两种转鼓整体模型：（1）以轴向筋板作为分段式，以环向筋板作为整体结构，十字型接头的焊缝位于轴向筋板两侧，（2）以环向筋板作为分段式，以轴向筋板作为整体结构，十字型接头的焊缝位于环向筋板两侧；根据所建立的两种转鼓整体模型，采用瞬态分析法，分析转鼓式压滤机的进料过滤区、洗涤区、干燥区和卸料区的动态工艺过程，将进料过滤区、洗涤区、干燥区及卸料区的实际运行工况的疲劳载荷数据作为静载荷加载到所建立的转鼓整体模型的相应区域，计算得到转鼓整体模型的应力分布，并找出最大应力位置；

其次，采用子模型技术，将得到的最大应力位置处的十字型接头建立局部十字型接头模型，并将整体模型计算得到的有限元结果作为边界条件作用到局部十字型接头模型上，然后在局部模型上施加最大应力位置对应的疲劳工况，局部模型的载荷和与边界条件和整体模型保持一致，并且将整体模型的节点位移结果场插值到局部模型的切割，并提交计算，得到疲劳工况下的局部十字型接头的应力分析结果；对比两种模型结果，选取疲劳性能更佳的焊接方式；

b．确定转鼓十字型接头焊缝焊接顺序

首先，建立十字型接头模型，在有限元分析软件中进行网格划分，并导入所需的焊接参数，然后对十字型接头的双道焊缝焊接结构的模拟采用生死单元法进行分析；

其次，确定十字型接头焊缝焊接顺序，选取焊接残余应力最小的焊接顺序。

2.根据权利要求1所述的一种用于转鼓式压滤机转鼓的抗疲劳焊接制造方法，其特征在于，所述十字型接头的焊缝位于环向筋板上。