水清洗裝備的真空引水罐結構設計

冉春燕，王國志，鄧　斌，于蘭英，周萬陽

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

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水清洗裝備的真空引水罐結構設計

冉春燕，王國志，鄧斌，于蘭英，周萬陽

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

為保證處于高位的水泵工作過程中正常吸水作業，水清洗車采用了真空引水罐結構。針對水清洗車工作條件和空間，設計了具有內部支架的真空引水罐，以減少鋼板的變形。按照強度條件計算水箱的尺寸和加強筋的尺寸，并以真空罐的穩定性為原則，設計吸水管的直徑。然后利用ANSYS Workbench軟件對水箱在最大真空狀態下的受力進行了分析，結果表明該水箱的結構在最大真空狀態下是安全的，說明設計是合理的。基于通用計算流體力學軟件Fluent的VOF( volume of fluid) 模型，RNGK-ε湍流模型，模擬計算真空罐的整個吸水過程，得到真空罐工作過程的各階段水相的變化、內部壓強的變化和吸水管的受力變化。模擬了不同吸水管直徑的真空罐工作狀態，對模擬結果進行了對比，說明吸水管直徑的設計是合理的。

真空引水罐水沖洗自灌式VOF數值模擬

0　引言

在各種清洗系統中，常常使用離心泵來增大清洗水的壓力。對于離心泵的安裝位置高于供水系統的低水位情況，傳統的解決方法是使用無底閥等方式進行引水，而這些方法都存在一定的缺點，如阻力損失大、易堵塞、易漏水、每次泵啟動需人工灌水等。采用真空引水罐進行引水啟動具有明顯的優勢，能避免出現傳統無底閥等引水方式出現的問題，啟動時無需人工灌水，在生產系統中應用廣泛。

高永等[1]提出真空引水罐結構參數的理論計算方法。管曉濤等[2]提出在清洗系統中引入真空引水罐裝置，改善泵的性能和吸水的效率，初步計算了真空罐的參數。徐善春等[3]提出真空罐參數的理論設計方法。現有關于真空引水罐的設計研究較少，且停留在理論計算階段，對其合理性的驗證具有局限性。而實驗驗證方法會耗費大量的人力、物力。

本文根據強度理論和水清洗車的工作情況設計計算真空水罐的結構。使用SolidWorks軟件建立仿真模型，使用ANSYS Workbench軟件對結構進行分析，驗證設計的正確性。使用ANSYS FLUENT模擬真空罐的工作過程，驗證吸水管直徑的合理性。

1　真空引水罐

真空引水罐的使用十分廣泛，如用于地鐵水沖洗系統、道路水沖洗系統和變電站水清洗系統等，并且在很多抽水泵站中也投入了使用。

圖1　真空引水罐引水示意圖

如果在清洗系統中出現離心水泵吸水口高于儲水罐最低水位的情況，就采用真空引水罐，其結構如圖1所示。

傳統的真空引水罐基本是圓形的。但是在水沖洗車中，由于空間位置的限制和為了便于安裝，引水罐的外形設計為長方體。由于真空罐體積較大，還設置了人孔、內人梯和外人梯，方便進入內部進行清洗。為了保證真空罐的使用效果，安裝排氣孔。

水泵工作時，引水罐會產生負壓，在水箱內部加支撐架來減少鋼板的變形量。使用前真空罐內須加滿水。當罐內的水被離心泵吸出，罐內產生負壓(真空) 后，由于大氣壓的作用，儲水罐內的水通過吸水管進入真空罐，實現給泵源源不斷地供水。

2　真空引水罐容積

圖1中，h為真空引水罐到吸水底的距離，其中h=2 m。

水泵采用真空罐抽水裝置的抽水過程，實際上就是能量轉換的過程。在水泵與大水箱之間，即在吸水管上安裝一個密閉的水箱(即真空罐)。水泵初次啟動前，使罐內充滿水，即使真空罐的水面到達圖2中截面2-2，同時泵腔內也充滿水。水泵啟動后，罐內水被水泵排走，隨著水位下降，真空罐內逐漸形成真空，當真空度增加到足以克服吸水高度和沿程阻力時，水箱的水沿吸水管連續被吸入罐內，并不斷被水泵排出，如水泵連續運行，罐內產生一個動平衡水面，即罐內水位保持在一定平衡水面上，如圖3中的截面4-4；水泵停止時，排水管的水經泵體流回罐內，使泵腔和罐內重新充滿水，為下次啟動作好了準備。

水泵是丹麥格蘭富的CR45-10-2，流量為40 m3/h。水箱的吸水高度定為2 m。為了保持水箱的平穩，吸水管的速度不宜過大，故吸水管的吸水速度暫定為1 m/s。根據流量與流速可以初步估計管徑為d=126 mm，根據水沖洗車的空間結構，確定吸水管的長度為10 m。工作水溫為20 ℃，泵的氣化壓力為0.24 m。水泵的最小進口壓力NPSH為2 m。

真空罐在泵啟動后的真空壓力[4-5]：

(1)

式中：H—吸水垂直高度，m；i—吸水管沿程坡降，查表得0.014 5m/m；v2/2g—吸水側水頭，m；L—吸水管長度，m；ξ—局部阻力系數，1.18。

計算得，Pk=2.26mH2O，工作時，真空罐內的壓力為P2=7.94mH2O，即大于水泵的最小入口壓力，則水泵不會發生汽蝕，該真空水罐的設計是合理的。

真空引水罐的容積[6]：

V=V1+V2+V3

(2)

文耳-馬略特定律：

P(V4+V1)=P2(V1+V2)

(3)

式中：V—真空引水罐的容積；V1—真空罐灌滿水時空氣的體積；V2—罐內的壓強由P降到P1時兩液面之間的體積；V3—保護容積，罐底到高于離心泵工作時液面的位置的容積；V4—吸水管的容積。

計算得：V1=0.163m3；V2=0.307 4m3；V3=0.5m3；V4=0.124 6m3。

帶入公式(2)中，可得水罐的設計容積為V=0.970 4m3，即引水罐的最小容積。在實際使用中，引水罐的容積越大越好，但是也不能過大，否則會給引水罐的制作和安裝帶來難度。水罐的容積決不允許小于設計容積，以保證其吸水能力，故取引水罐的容積為1m3。

3　關鍵結構設計

一般的真空罐都是圓形的。圓形的水罐占據的空間位置大，不便安裝，所以選用矩形的真空引水罐。矩形真空罐能很好的利用空間，并且方便制造。由于水罐在工作的情況下是處于負壓的狀態，為保證罐體最小的變形量，在水罐的內部增加支撐結構。

鋼板和支架角鋼的材料由于要和水接觸，故均為不銹鋼304。水箱外部鋼板的焊縫必須保證引水罐的氣密性。

真空罐的容積為1 m3，故取真空罐為正方體水罐，長寬高分別為1 m。

真空引水罐內的真空度為0.022 148 Pa，設計壓力取最大工作壓力的1.25倍，即設計壓力為0.027 685 MPa。

3.1側板

水罐具有滿水和真空度最大兩種極限狀態。在最大真空狀態時，引水罐中的水位于4-4的位置，如圖2、3所示。則其受力最大的部分為上部無水區域。由于水罐內形成負壓，則整體是外壓，水箱壁面的受力最大為q=27.685 kN/m2。只要真空罐在最大真空度的時候滿足強度理論，那么該水罐在任何工況下都滿足要求。

為了保證水質，水罐整體都采用304不銹鋼板。按強度公式來計算鋼板的厚度[7]：

(4)

式中：b—鋼板短邊的長度，mm；K1—系數，取決于板的支撐情況及長短邊的比值，此處取0.307 8；P—板上單位載荷，0.027 685MPa；[σ]—鋼板的許用應力，137MPa。

計算得，側板的厚度為δ1=7.88mm，圓整8mm。頂板由于有人孔的設計和供行人行走，為了安全，取10mm。底板要承受水箱自身的重量和水的重量，計算底板厚度為δ2=10mm。加強筋的最長距離計算為L0=0.3m，考慮到水箱的整體尺寸取0.25m。即每邊添加三根加強筋。

按照強度計算加強筋的截面模數為：[8]

(5)

式中：M—加強筋上的彎矩；[σ]—304鋼的許用應力，137MPa。

經計算加強筋的截面模數為：4.688×10-6m3

選擇5號角鋼，其截面模數為：4.863×10-6m3。

3.2支撐

水箱的總質量估計為G=300kg，用3根1m長的工字鋼作為承重支撐，即每米角鋼的單位受力為q=4.5×103N/m，工字鋼的材料為Q235A，許用應力為113MPa。

選擇10號工字鋼的截面模數為W=4.9×10-5m3，滿足支撐要求。

3.3內部支架結構

圖4　引水罐內部結構圖

由于真空引水罐受到負壓的影響，則大氣壓對水罐的鋼板有一個向內的壓力，為了保證鋼板的變形量在允許范圍內，將支撐架放在引水罐的內部。由于真空罐頂部加有人孔，在人孔附近添加加強筋，以減小頂板的變形量和應力。引水罐的內部結構如圖4所示。

3.4吸水管直徑的計算

在實際使用過程中發現，若吸水管直徑設計不合理，當開口水箱水不足的時候，真空水箱和吸水管將發生振動，影響系統穩定性。

當真空罐的吸水和出水達到一個平衡狀態時，罐內的壓強P2=79 177Pa，空氣的體積為V2=0.368m3，此時罐內的空氣密度為ρ2=0.957 4kg/m3。泵的體積流為qv1=0.011 1m3/s，為了保持罐內空氣的壓力不變，根據氣體的狀態方程：

PV=mRgT

(6)

式中：P—氣體的絕對壓力，Pa；V—氣體的容積，m3；T—氣體的熱力學溫度，K；Rg—氣體常數，與氣體種類有關，而與氣體的狀態無關，J/(kg·K)。

可以得出：

P=ρRgT

將真空罐的整個工作過程看作恒溫過程，Rg只與氣體種類有關，而與氣體的狀態無關，所以只要保證氣體的密度不變，則壓力就不變。故可知空氣的體積流qv2=0.008 68m3/s。

由q=v·A，計算得d=74.35mm。

q—流量m3/s；v—空氣的流速，根據管道的入口和出口的壓力差，定為2m/s；A—吸水管的截面面積。

則吸水管的理論直徑為80 mm。在實際的設計中，為了減小沿程損失，吸水管直徑可以盡量的大。

真空罐的出口與水泵相連接，根據水泵的尺寸可知，出水管的直徑為80 mm。

4　數值模擬分析

4.1結構強度分析

使用ANSYS Workbench軟件對真空引水罐在最大真空狀態下的靜態情況進行分析。

材料為304不銹鋼，固定支撐工字鋼，壓力27 685 Pa，對真空引水罐劃分網格，然后運行，查看水罐的應力狀況和變形狀況。應力及位移結果分別如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，真空水箱的最大應力為153.27 MPa，最大應力集中在側面的角鋼加強筋上，304不銹鋼的屈服應力為205 MPa，所以水罐在最大真空狀態下是安全的。

圖5　應力結果　　　　　圖6　內部支架應力

圖7　變形結果　　　　　圖8　內部結構變形

4.2工作過程的穩定性分析

4.2.1模型的建立及參數設置

簡化模型，建立真空水箱工作的物理模型，吸水管的高度為2.26 m。用SolidWorks建立流域模型如圖9。

使用ICEM對流域進行結構網格劃分，劃分結果如圖10。

采用兩相流界面追蹤流體體積方法(VOF)模擬計算真空罐抽水的過程。

模擬真實情況，對真空罐內的水域進行初始化，結果如圖11所示，紅色的為水相。設置時間步長為0.01 s。設置三個監控點，分別監控真空罐內的壓力、真空罐內的水位高度和吸水管的平均受力。

4.2.2結果及分析

整個工作過程的模擬時間為25 s，第一階段水泵啟動至真空罐內形成穩定的負壓；第二階段開口水箱的水用完；第三個階段真空罐開始吸入空氣。圖12是吸水管直徑為126 mm的真空罐系統工作的幾個不同階段的水相分布云圖。

圖12　不同時間的水相分布圖

改變吸水管直徑的大小，對模型進行仿真運行，檢測真空水罐內的壓強和吸水管受到的平均壓力。設置吸水管的直徑分別取40 mm、80 mm、100 mm、126 mm。當吸水管直徑為40 mm時，運行到7 s時就自動發散，真空罐壓強變化非常大，吸水管受到的力也很大，引起模型的發散，所以吸水管的直徑不能太小，否則，對整個系統的使用影響會非常大，還會影響泵的使用壽命。

圖13、圖14是監測真空罐內氣體的總壓和吸水管壁面平均受力變化圖。所有的壓強以大氣壓為基準，故壓強是負的。

由圖13可以看出，吸水管直徑為80 mm和100 mm時，真空罐內的負壓先達到最大值，負壓為23 kPa，符合理論計算值，說明該計算模型是正確的。在10 s以后開口水箱內的水被吸完開始吸入空氣。此時，由圖13、14可以看出當吸水管直徑為80 mm時真空罐內的負壓較小，而且壓強變化小，吸水管壁面受到的壓力較小；吸水管直徑為126 mm時，真空罐內的壓強變化幅度相對大一些，整體負壓較大，吸水管的壁面受力大，波動幅度也大，造成吸水管的抖動比較厲害，會影響吸水管的使用壽命。綜上所述，可知當吸水管的直徑為80 mm時，整個系統的工作狀態較好。

5　結論

本文對水清洗車的真空引水罐進行了結構設計和強度、穩定性分析，滿足水沖洗車的水泵工作要求，為同類型結構的真空引水罐設計提供了參考。

1)根據泵的工作環境和條件計算出真空罐的最小容積為 1 m3。

2)設計計算真空水罐的整體結構和基本尺寸。真空罐的側板厚度為8 mm，底板和頂板為10 mm。選用5號角鋼作為加強筋，10號工字鋼作為底部支撐結構。

3)使用ANSYS Workbench軟件對引水罐在最大真空狀態下的受力情況進行分析。真空罐的最大變形量位于側板上，為0.54 mm，最大應力在側板的加強筋上為153.27 MPa。結果表明真空罐的結構設計是合理的。

4)經過對比分析得出，真空水罐的吸水管直徑不宜過大或者過小，否則真空水罐的吸水管都將發生振動，影響系統穩定性。

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Structure design of the vacuum tank of the rinsing equipment

RAN Chunyan,WANG Guozhi,DENG Bin, YU Lanying, ZHOU Wanyang

To ensure the pump at high position work normally, a vacuum tank has been applied to the rinsing vehicle. We designed the structure of the vacuum tank for the specific working conditions and space of the rinsing vehicle. We added an internal frame inside the tank to reduce the deformation of steel, calculated the size of the tank and the reinforcing ribs based on the strength requirements, and determined the diameter of the suction pipe based on the stability requirements of the tank. We analyzed the stress on the tank at maximum vacuum state using ANSYS workbench, and the result showed that the tank was safe at maximum vacuum state. We simulated the water suction process of the tank using VOF model and RNG turbulence model of Fluent, and obtained the changes of water phases, internal pressure and stress on the pipe during the water suction process. We also simulated the working state of the tank with different suction pipe diameters, and compared the results to prove that the design of the tank was reasonable.

vacuum tank，rinse，self-filling，VOF，numerical simulation

TH122；TH311

B

1002-6886(2016)04-0023-05

冉春燕(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為機電液一體化技術。

王國志(1969-)，男，副教授，博士，研究方向為機電液一體化技術。

2014-12-25