基于有限元法的立式泵底座優(yōu)化設計

周慶 夏國龍 徐劍云 張斌 范祖相

摘 要：立式泵底座主要用于支撐立式水泵，保證水泵安裝滿足測試要求，整體運轉平穩(wěn)，并符合一定的輕量化和低振動要求。目前，船用泵對其低振動提出了更高的要求，在低振動泵試驗臺搭建過程中，需要匹配與之相應的低振動水泵測試底座，為低振動水泵試驗臺提供必要的保障。現(xiàn)針對原有底座結構，建立三維模型，通過分析受力分布和應力變形，提出了改進優(yōu)化方案，解決了水泵底座低頻振動的問題。

關鍵詞：立式泵;底座;優(yōu)化設計;有限元

0 ? ?引言

在實際工程設計過程中，有限元設計是最常用的方法之一。有限元設計能夠讓設計者在設計初期通過全面考慮產(chǎn)品開發(fā)的每個影響因素，并通過有限元軟件的模擬仿真，將影響產(chǎn)品開發(fā)的因素、設計理念與產(chǎn)品相結合，將產(chǎn)品風險降至最低。

有限元設計是通過仿真建立三維模型，加載外部約束和外部應力，分析模型的應力和變形;通過有限元分析大幅縮短設計周期，有效提升設計質(zhì)量，降低設計成本。

目前，國內(nèi)的底座設計優(yōu)化領域通常采用有限元方法來分析及優(yōu)化底座結構。太原科技大學的司炎飛在基于有限元法的液壓支架優(yōu)化設計研究中，通過有限元方法對液壓支架施加模擬載荷，分析應力變形和應力分布，并提出了優(yōu)化解決方案。長沙天鵝工業(yè)泵股份有限公司的施蓉等人分析了傳統(tǒng)臥式泵底座的不足之處，分別介紹了泵與電機中心高在不同情況下改進后的臥式直聯(lián)泵底座結構的設計要點，通過優(yōu)化設計，提高了設計質(zhì)量，降低了生產(chǎn)制造成本，經(jīng)濟效益明顯。

本文對原有水泵試驗臺底座（圖1）進行了優(yōu)化改進。在安裝過程中，發(fā)現(xiàn)原有水泵試驗臺底座的梁出現(xiàn)了位移變形，雖然仍可以為水泵提供運行支撐，但是水泵低頻振動超標。分析其原因為原立式安裝底座設計不合理，4個支撐支架底部有強約束，水泵重心太高，水泵支撐處存在安裝支撐變形的情況。從安裝減震器的情況來看，支架安裝好以后，當擰緊底座固定螺栓時，減震器底部有明顯變形，說明支架的4個立柱存在變形，需要通過有限元分析途徑進行優(yōu)化設計。

1 ? ?邊界條件設定

根據(jù)4個支柱的結構特點及原支撐底座的支撐特點，對底座進行了結構性加固。原底座由4個H鋼和1個底板組成，底座上表面為安裝面，底座尺寸為840 mm×700 mm×1 381 mm，重量為305 kg。

采用Creo2.0軟件對原底座進行建模，原底座與地面通過螺栓固定，4個螺栓固定部位為固定約束，底座上方安裝面用于支撐水泵，水泵重量約150 kg，安裝面面積為0.09 m2，相當于底座安裝面承受0.016 MPa的靜壓力。

2 ? ?原底座仿真分析

通過有限元軟件對原底座模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格寬度為20 mm，并通過靜力學分析對模型進行數(shù)值模擬仿真，分析模型的應力分布和變形，如圖2、圖3所示。

有限元分析結果顯示，原底座上部缺少固定，導致原底座上部在受外加載力的情況下，會出現(xiàn)上部彎曲、上部支撐不穩(wěn)等情況。底座應力約為3 MPa，變形量約為0.028 mm，尤其頂部安裝面附近變形量較大，水泵底座低頻振動會直接導致水泵振動大。

3 ? ?底座優(yōu)化改進

根據(jù)有限元計算結果，提出了底座改進方案。根據(jù)原支撐架的特點，利用最簡單的方式對支撐架進行加固，分別在原支撐架1/2處和1/3處進行加固，保證水泵底座頂端的穩(wěn)定性。

在底座4個H鋼四周側面增加筋板，利用槽鋼焊接在原支架的4個側面，增加水平方向和上部的穩(wěn)定性，按照原模型有限元邊界條件，并加載同樣的外在力，對有限元模型進行分析，改進后的模型如圖4所示。改進后外形尺寸保持不變，重量增加了39 kg，為344 kg，整個重心基本保持不變。

采用同樣的有限元數(shù)值仿真分析方法對改進后底座進行數(shù)值仿真分析，即給定邊界條件為4個螺栓固定部位為固定約束，相當于底座安裝面承受0.016 MPa的靜壓力。有限元分析結果顯示（圖5、圖6），經(jīng)過改進，底座應力降至1.84 MPa，變形量降至0.002 mm，說明改進后整體結構穩(wěn)定，變形量小，改進效果顯著。經(jīng)過試驗驗證，水泵在安裝過程中，支架底座安裝面沒有明顯變形，說明4個支柱及支架結構穩(wěn)定。在試驗測試過程中發(fā)現(xiàn)，水泵低頻振動放大效果得到抑制，說明改進后，整體支架確實有很好的效果和很明顯的低頻振動抑制效果。

4 ? ?結語

立式泵底座對水泵的穩(wěn)定安裝至關重要，底座結構是否穩(wěn)定，強度是否符合使用要求，底座在安裝狀態(tài)下是否會發(fā)生變形，都是在設計階段要考慮的要素。采用有限元方法對改進方案的數(shù)值進行分析，可以縮短設計周期，提高設計質(zhì)量，為改進方案提供有效的數(shù)據(jù)支撐。改進后的水泵運行狀態(tài)平穩(wěn)，底座結構穩(wěn)定，改進效果顯著。在試驗測試過程中發(fā)現(xiàn)，水泵低頻振動放大效果得到抑制，說明改進后，整體支架確實有很好的效果和很明顯的低頻振動抑制效果。

[參考文獻]

[1] 司炎飛.基于有限元法的液壓支架優(yōu)化設計研究[D].太原：太原科技大學，2014.

[2] 施蓉，方友興.一種臥式泵底座設計的改進[J].水泵技術，2009（6）：13-15.

[3] 李民.液壓支架頂梁的優(yōu)化設計[D].青島：山東科技大學，2009.

[4] 宋育鋒.附加力對液壓支架受力的影響[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2008，18（19）：198-199.

[5] 蔡毅.液壓支架分析優(yōu)化技術研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[6] 李立.基于有限元法的ZFS3200型液壓支架工程分析[D].濟南：山東大學，2007.

[7] 李翠勤.液壓支架主體結構件疲勞壽命分析[D].太原：太原理工大學，2012.

收稿日期：2020-11-18

作者簡介：周慶（1979—），男，江蘇建湖人，工程師，研究方向：特種發(fā)動機。