《钢桶制造技术》
杨文亮 辛巧娟 编著
第四章 钢桶结构及工艺尺寸的设计
钢桶的结构是否合理，直接影响着钢桶的美观程度、机械强度等性能，钢桶的结构是由形状和尺寸决定的，尺寸的正确使结构更为合理，生产工艺的正确与否是保证结构尺寸的关键，而工艺的关键又是工艺尺寸。所以要制造出美观大方、性能可靠的优质钢桶，其设计首先应该是最优的。
第一节 钢桶的结构分析
自世界上第一个钢桶问世以来，科学在不断地进步，钢桶也经过了多次的更新换代，使其结构逐步趋于更合理，生产工艺更先进、用途更广泛。到今天，钢桶的基本结构已经定型，如图2-8所示钢桶，是典型的钢桶结构形式。
一、钢桶的受力分析
如图4-1所示圆柱形钢桶，假设桶内装满液体，桶壁均受到向外的压力。设钢桶内径为d，壁厚为t，材料许用应力为[σ]，桶内液体作用于桶内壁的压强为p。
图4-1 钢桶的受力分析
由图4-1（b）可以看出，内压力沿半径方向辐射作用于钢桶内壁。钢桶在内压力作用下，其圆周均匀增大，所以通过钢桶轴线的任何截面上，将作用着相同的轴力N，如图4-1（b）。
将钢桶用径向截面假想切开后，圆弧面（
）上总压力的竖直投影为（
）sinθ,于是上部钢桶的平衡条件为：
所以 
均匀压强p作用于半圆柱面的情况，与作用在这半圆柱面的水平投影面的情况在竖直方向的总力是相同的，所以根据图4-1c写出上式p(Ld)=2N也是可以的。因桶壁厚度t远小于桶内径d，所以可以近似的认为应力沿壁厚均匀分布（如果
，这种近似足够准确）。现以σθ表示此应力，并注意到桶壁横截面积A=tL则
即 
（4-1）
上式为钢桶受内压时径向截面上正应力计算公式，要使钢桶受内压时强度足够，则该压力应小于许用应力，即：
（4-2）
钢桶的底、顶面积为
，则桶底受力为
,桶底受力截面面积为内径d,宽t的圆环面积即：
则桶底、顶径向截面所受正应力为
即 
（4-3）
要使钢桶受内压时强度足够，除要满足式（4-1）外，还应满足下式
（4-4）
以上是对钢桶受内力时的受力分析，如钢桶能承受一定的外力作用，这就要取决于钢桶的结构。
二、钢桶结构的力学分析
如图2-8所示钢桶，其钢桶的桶身是用整块薄钢板焊接而成的，焊缝平行于钢桶轴线，一般来说，钢桶焊接处的强度在正常使用情况下不低于原整块钢板的强度，对于内力分析来说，可以看作是没有焊缝的，桶顶、桶底与桶身是卷边接合，因为钢桶不是压力容器，内压力一般不超过2×105 Pa，对于内压力来说，卷边强度也是足够的。
在实际应用中，钢桶经常受到外力的作用，严重的跌、撞会使钢桶产生凹陷、扁瘪甚至泄漏，所以要尽量加强钢桶的强度，由于钢桶是薄壁容器，其缺点就是遇到摔撞，容易变形，增加强度就是增加其刚性。
如图2-8所示，在钢桶的桶身上加工些波纹和环筋，可以使桶身的刚性大大加强，不易失圆，不易凹瘪。有些钢桶在其桶底、顶上也加工些环形筋，对桶底、顶也起加强作用。
钢桶卷边部分对整个钢桶来说是比较突出的边缘，也是最易被外力跌、撞凹瘪的薄弱环节。采用卷边法接合桶身与桶底、顶本身也是对钢桶这一薄弱环节的加固。这个厚厚的卷边可以看成是一个圆环形钢筋，成为整个钢桶的骨架。近年来，三重圆卷边已经代替了二重矩形卷边，这是制桶技术的一大进步。
圆卷边比矩形卷边密封性能好，更主要的还是圆卷边的强度比矩形的高。这可以从下面的分析中得到证明。
假设矩形卷边的截面是一个规矩的矩形，圆卷边也是一个规矩的圆形截面，如图4-2所示，为了进行比较，假设两个面积是相同的，只是卷边方式不同。
图4-2 矩形卷边与圆卷边的比较
对于矩形截面来说，截面对于中性轴的惯矩为：
最大应力点距中性轴的距离为：
故：
（4-5）
式中Wz为抗弯截面系数。
对于圆形截面来说，惯矩为：
最大应力点距中性轴的距离为：
故：
（4-6）
如果钢桶卷边部分强度足够，则必须：
（4-7）
式中：Mmax—卷边受到的使其弯曲的最大力矩；Wz—卷边截面抗弯系数；δmax—最大正应力；[δ]—许用应力。
由前面假设两截面面积相等中得：
则 
从钢桶卷边的实际情况来看，h＞d，故4h＞3d，即：
，所以
由（4-7）式可知，当弯矩已定时，最大正应力的数值与抗弯截面系数Wz成反比。因此
式中 σ'max——圆卷边最大正应力；
σmax——矩形卷边最大正应力。
由此可证，圆卷边的强度高于矩形卷边。
三、钢桶结构尺寸的确定
1．缝焊搭边宽度：对于国产半自动老式缝焊机来说，搭边宽度要宽一些。采用厚度为0.8mm以下的薄钢板制造钢桶，一般搭边在钢板厚度的12～17倍之间。厚钢板取小值，薄钢板取大值。采用厚度为1.0～1.5mm的薄钢板制造钢桶，一般搭边在钢板厚度的8～11倍之间。厚钢板取小倍数，薄钢板取大倍数。
对于进口全自动缝焊机，或者改型后的新式国产焊机，搭边一般为3～5mm左右。
2．卷边宽度的确定：钢桶卷边宽度与钢板的料厚、钢桶的直径等都有关系。材料越厚，卷边宽度越大；钢桶直径越大，卷边宽度也相应大一些，用以提高强度。
一般来说，卷边宽度取材料厚度的8～10倍，圆卷边取小值，矩形卷边取大值。
３．桶底、顶深度的确定：桶底、顶深度也是随着材料厚度及直径的大小不同而不同，一般取材料厚度的12～14倍，材料厚度在1.2mm以下，料厚取大值，料薄取小值。
４．波纹、环筋尺寸的确定：波纹高一般取2～3mm；环筋高取6～14mm。钢桶直径越大，高度越大。
波纹的宽度是高度的5倍；环筋宽一般是高度的3倍左右。
5．钢桶内径与桶高的选择：根据钢桶容量的要求，在圆柱体标准直径系列中先选一适当直径，然后再根据容量计算高度，一般应满足下式：
（4-8）
式中：D——钢桶内径；H——钢桶高度。
当钢桶的尺寸在式（4-8）要求的附近时，钢桶不仅美观漂亮，而且强度较好，这就是著名的“黄金分割点”理论。
钢桶在确定内径与高度时，计算容量可由公称容量上浮4%～10%，盛装物比重越大，上浮越少，比重越小，上浮越多。
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