瓦楞板型润滑油油箱的刚度分析

金 楠，李慧峰

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

0 引言

由于炼油、化工行业的规模与生产能力的扩大，使得离心压缩机、汽轮机、电机以及变速箱等设备的外形、转速与功率不断提高。这些大体积、高转速、大功率的设备在运行过程中，设备的轴承及齿轮等部件的温度会迅速升高，并造成一定程度的磨损。需要大量的润滑油对其进行冷却和润滑，导致润滑油箱体积所有增加。当油箱的体积增加后，油箱壁板所承受的润滑油重力和液体静压力也随之提升。油箱具有自重较大，生产周期长、整体成本高等缺点。提升油箱的刚度，防止油箱变形成为油箱设计人员所关注的重点问题。与普通的钢板相比，等同厚度的瓦楞板在具有高刚度同时也具有更好的截面特性。因此，将瓦楞板作为大体积润滑油油箱的壁板不仅会降低油箱的重量，同时也会有效避免因焊接筋板而导致的焊接变形及应力集中等问题。

1 油箱刚度分析模型

瓦楞板是经过辊压冷弯后具有一定波纹形状的钢板，受加工设备与制作工艺影响，瓦楞板的波纹形状具有多样性的特点。瓦楞板的刚度由壁板厚度、波纹数量、波纹高度、波纹宽度以及波纹倾斜角等参数共同决定，为方便对比某一参数对于刚度影响的大小，将油箱分析模型简化为长9000 mm、宽3000 mm，高2500 mm 的矩形容器，瓦楞板厚度8 mm，波纹尺寸如图1 所示。

图1 瓦楞板结构尺寸

当油箱处于满油状态时，油箱壁板仅受到润滑油所施加的静压力，因此油箱四周壁板的受力状态可视为完全相同，故选取分析模型中油箱宽度为3000 mm 的壁板进行受力分析。根据液体压强公式（1）可以计算出壁板底层与顶层所承受的静压力。

式中 ρ——润滑油密度，kg/m3

g——重力加速度，9.8 m/s2

h——液面高度，m

根据GB/T 1884—2000 规定的方法对46#透平油的密度进行测量，20 ℃时的密度为871 kg/m3。由此可以计算满油状态时壁板底层和顶层所承受的静压力分别为0.021 339 5 MPa 和0 MPa。

使用ANSYS 建模后，使用SOLID187 单元类型进行网格划分，网格尺寸为20 mm。油箱壁板材料为S30408，密度为7850 kg/m3，弹性模量取200 GPa，泊松比为0.3[1]。壁板底层和顶层按线性变化施加静液柱压力，并在油箱壁板的上、下、左、右四面施加固定约束[2]。壁板受力情况如图2 所示，其变形量及等效应力图如图3 所示。

图2 壁板受力情况

由图3 可知，壁板中部两波纹之间的区域变形量最大，而应力最大区域位于壁板波纹的底部，最大变形量及最大应力值分别为8.53 mm 和333.6 MPa。为进一步分析瓦楞板规格对油箱刚度的影响，在使用相同的边界条件下分别取波纹数量、波纹高度、波纹宽度以及波纹倾斜角等参数作为单一变量进行分析。

图3 变形量及等效应力图

2 瓦楞板规格对油箱刚度的影响

（1）波纹凸起的数量对于刚度的影响。在保证基础模型外形尺寸及图1 中波纹尺寸不变的前提下，分别将波纹数量增加至4个和5 个后进行分析，壁板变形量及等效应力图如图4 和图5 所示。

图4 4 个和5 个波纹时变形量云图

图5 4 个和5 个波纹时等效应力云图

由变形量云图可知，当波纹数量分别增加至4个和5 个时，壁板最大变形量分别为7.18 mm 和5.99 mm，最大变形区域仍位于壁板中部。受波纹数量改变的影响，最大变形区域的形状发生变化，但面积未发生明显变化。由等效应力云图可知，当波纹数量增加后，壁板最大应力区的位置并未发生变化，但最大应力值则分别降低至288.6 MPa 和245.9 MPa。当单位面积壁板中波纹数量增加后，虽然壁板的最大变形量和最大应力值均呈现出明显降低的趋势，但无法改变最大变形区域的面积，也无法改变最大应力区的分布位置。

（2）波纹凸起的高度对于刚度的影响。将基础模型中波纹凸起的高度分别增加至50 mm 和70 mm 后进行分析，变形量及等效应力图如图6 和图7 所示。

图6 波纹高度为50 mm 和70 mm 时变形量云图

图7 波纹高度为50 mm 和70 mm 时等效应力云图

由变形量云图可知，当波纹高度增加至50 mm 和70 mm时壁板的最大变形量分别为4.17 mm 和2.38 mm。当波纹高度增加后，波纹间最大变形区域的形状发生明显变化，即在垂直方向的尺寸不断增加，而在水平方向的尺寸则不断减小，甚至完全断开，但仍具有对称性。由等效应力云图可知，波纹高度增加后对应的最大应力值分别为210.98 MPa 和137.66 MPa，但壁板的应力集中部位并未发生变化。通过对比可知，增加波纹高度不仅能够降低壁板的最大变形量和最大应力值，还能够改变最大变形区域的分布和形状，但无法改变壁板最大应力的集中区域。

（3）波纹宽度对于刚度的影响。分别将基础模型中波纹宽度增加至54 mm 及72 mm，采用相同的边界条件进行分析，变形量及等效应力云图如图8 和图9 所示。

图8 波纹宽度为54 mm 和72 mm 时变形量云图

图9 波纹宽度为54 mm 和72 mm 时等效应力云图

由变形量云图可知，当波纹宽度增加至54 mm 和72 mm 时壁板的最大变形区域的形状及面积并未发生明显的变化，但最大变形量由8.53 mm 分别降低至7.06 mm 和6.1 mm。由等效应力云图可知，波纹宽度增加后壁板的最大应力值由333.6 MPa 降低至280.11 MPa 以及245.59 MPa，但未改变壁板的应力集中区域的分布。

（4）波纹角度对于刚度的影响。将基础模型中波纹角度分别增加至22.5°和30°并采用相同的边界条件进行有限元分析，变形量及等效应力云图如图10 和图11 所示。

图10 波纹宽度为22.5°和30°时变形量云图

图11 波纹宽度为22.5°和30°时等效应力云图

由变形量云图可知，当波纹角度变为22.5°和30°时后壁板的最大变形的区域、面积和形状并未发生明显变化，最大变形量分别由8.53 mm 降低至8.45 mm 和8.35 mm。由等效应力云图可知，当波纹角度为22.5°时最大等效应力值由333.6 MPa 增加至335.76 MPa，当角度为30°时最大等效应力降低至333.64 MPa，而壁板的应力集中区域的分布位置并未发生变化。

通过以上分析结果可知，在降低壁板最大变形量与最大应力值等方面，增加波纹高度的效果最为明显；增加波纹数量与增加波纹宽度的效果次之，且两者降低的幅度几乎相同，而增加波纹角度则无明显变化。同时，增加波纹高度对于最大变形量区域形状的影响最为显著，其他3 种波纹形状的改变方式则未对最大变形量区域的形状变化产生影响。此外，4 种波纹形状的改变仅对最大应力值产生影响，而不会改变最大应力区域的分布。

3 结束语

以某离心压缩机润滑油油箱为基础模型，并分别对波纹数量、波纹高度、波纹宽度及波纹角度等4 种波纹形状的壁板进行有限元分析，并对分析结果进行对比与总结，以便设计者能够更为方便地选择提升油箱壁板刚度的方式。但在选择波纹形状时还应充分考虑开孔与焊接问题，应尽量将开孔位置选择在波纹之间的区域。