罐车防波板受力分析和优化设计

毛民·阿斯哈尔，万林青，任国栋

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

1 防波板的作用和使用情况

罐车防波板是罐车在紧急制动时，减小罐体内介质剧烈运动，避免介质对罐体的撞击，保障罐车平稳运行的作用。防波板设置的一般要求是，每个防波板的有效面积应大于罐体横断面积的40%，防波板的安装位置，应使上部弓形面积小于罐体横断面积的20%。防波板与罐体的连接应采用牢固的结构，防止产生裂纹和脱落。每个防波板容积一般不大于3 m3。《汽车罐车安全技术监察规程》对防波板作了以上规定，但是以上条款和理论计算的结果有出入，这几项条款误导了防波板的设计，所以罐车防波板在使用过程中损坏比较普遍。

2 防波板的结构和一般的连接方法

防波板的连接方法包括螺栓连接和焊接两大类。两种方法各有优劣：如果焊接质量好，受力均匀，可以减小应力集中，但是对材料要求高，对焊接质量要求高，产生裂纹的时候容易延伸到筒体，对罐车的安全运行不利；螺栓连接可以起到部分缓冲作用，可以减小应力水平，但是容易引起应力集中，螺栓容易滑牙，容易产生裂纹和脱落。

3 防波板经常损坏的部位及原因分析

通过本单位对几千辆罐车的内部检验，以及以下图片中典型的破坏形式，我们可以发现角钢或者加强筋与罐体的焊接部位、防波板与角钢的连接部位、螺栓连接部位、突变部位、对流孔部位和对流孔边缘部位是最容易损害的部位。损坏的原因大概可以分为以下几种：结构不合理，选材不正确，焊接质量及制造质量不好，螺栓强度不够，板厚太薄，防波板间距过大，布置不合理等，见图1~4所示。

图1：选择的焊接结构不正确，焊接质量也不好，强度不够。防波板应该焊在加强圈的另外一侧，这样在制动的时候焊接部位受力较小。图2：板厚太薄，仓容太大，造成防波板强度不够，过度变形。图3：选材不正确，韧性不足，导致断裂。图4：结构不合理，没有圆滑过渡，引起应力集中，造成开裂。

图1 选择焊接结构不正确

图2 板厚太薄造成过度变形

图3 选材不正确导致断裂

图4 结构不合理造成开裂

4 受力情况及其对运算结果的分析

为了找出防波板损害的原因，就要计算防波板的受力情况。通过计算发现，应力水平和防波板材料的弹性模量，防波板厚度，罐体的半径，介质的密度，防波板间距，紧急制动时的加速度，对流孔的形状、部位、尺寸等存在有关系[1]。具体的计算过程如下：

为了简化运算，假设防波板是由无数小钢带紧密排列的，相互之间没有力的传递。建立如下模型：钢带长度为2Rsinα（R 为罐车的罐体半径，α为钢带两端点与与罐体中心线夹角的一半），钢带厚度为θ，高度为dh（图5、图7），防波板间的距离为l（图8），罐车紧急制动时的最大加速度为a,液体密度ρ，γ为钢带变形后与不变形时的夹角（见图6），Δl为罐体弯曲时的伸长量，G为板材的弹性模量[2]。根据牛顿定律，罐车在紧急制动时钢带受到的最大冲击力F冲为：

根据力的平衡原理，钢带和罐体连接部位的力F连为：

式中：γ很小，所以sinγ 约等于γ-γ3/3！，α 取90°，进一步简化后为

图5 罐车的截面图

图6 防波条变形与不变形的示意图

图7 防波条示意图

图8 防波条后面介质形状

根据以上计算结果可以看出，应力和各个量之间的关系。由于介质密度只与所运输的物料种类有关；紧急制动时候罐车最大加速度只与路面的滑动摩擦系数有关；都是定值，无法改变，所以要减小应力水平可以从下面几个方面入手：减小板材弹性模量、罐体半径和仓容，增加防波板的厚度。但是增加防波板厚度与减小仓容都会增加制造成本，增加罐车负荷，也会减小运送物料的重量；减小半径更会使运输量大大减小；所以比较容易改变的只有弹性模量参数。通过减小板材弹性模量会得到减小应力的效果，因为板材的弹性模量是板材的固有性质，它只和板材的种类有关系，所以要想设计出持久耐用的防波板选材很重要，材料选择正确，应力水平就会大大减小，损坏的可能性也就会大大降低。选材的关键是要韧性好，抗疲劳，高延伸率，较小的弹性模量。根据以上要求，可以选择优质低碳钢，如20＃、20R等。当然如果能在防波板上面布置若干个波节，防波板的“当量弹性模量”就会大大减小，应力水平就会降低。因为应力的减小，防波板的寿命肯定会提高，对防波板所用材料也可以降低要求。防波板的“当量弹性模量”的减小等于增加了韧性和延伸率，提高了防波板的储能水平，罐体内的物料晃动程度会降低，对罐车的平稳运行有利。

5 优化设计指导方案

5.1 选材

选材的关键就是韧性好，抗疲劳，高延伸率，较小的弹性模量。根据以上要求，可以选择优质低碳钢，如20＃、20R等。如果盛装的是特殊介质，如临氢介质或者强酸强碱的情况，就必须考虑到氢脆和腐蚀，保证材料与介质的相容性。

5.2 制造

严格制造工艺：形状突变部位圆滑过渡，清除防波板边缘的毛刺、飞溅等物；严格焊接工艺：保障满焊，不允许采取点焊的方式，通过无损检测技术消除焊接缺陷。

5.3 结构

尽量避免造成应力集中的机构，在无法避免的情况下，通过改变形状尽量减小应力集中，比如，改圆形对流孔为椭圆型，椭圆长轴应水平放置。因为所有的罐车都不能充满，所以改防波板水平放置为竖直放置。在防波板上增加波节结构：改整张防波板为多张平行防波条，从边沿到中心逐步增加板厚，或者中心的防波条用波纹结构，或者改用更好的材料。合理选择防波板对流孔的部位，形状，和尺寸。控制各处曲率半径不宜过小。

6 思考和建议

根据以上运算结果可以看出，连接处的应力与多个量有关系，而《汽车罐车安全技术监察规程》在规定防波板的间距时仅仅用仓容加以限制，显然不够科学。用罐体直径与介质密度的乘积除以防波板厚度控制防波板间距才比较合理；如果觉得计算复杂，加上防波板板厚变化不大的原因，至少应考虑密度的因素；至于防波板的面积和上部弓形区域的面积占横截面的比例，应考虑介质粘度的影响。用防波板面积和罐体截面积的比值与粘度系数的乘积作为限制防波板面积的依据比较合理。

[1] 姚建明,薛江蓉. 大学物理[M].北京：北京理工大学出版社.2008.

[2] 单辉祖.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1999.