離心泵機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)策略

肖樹(shù)劍 彭濤

摘要：在當(dāng)今科技發(fā)展的帶動(dòng)下，機(jī)械生產(chǎn)工藝技術(shù)也在不斷革新。為順應(yīng)科技的發(fā)展與時(shí)代的進(jìn)步，原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步的改進(jìn)，以滿足其實(shí)際應(yīng)用需求。就離心泵而言，輕量化已經(jīng)成為其主要的發(fā)展方向。基于此，本文對(duì)某冶煉企業(yè)的離心泵泵體和軸承架的輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行分析，以此來(lái)有效滿足離心泵在當(dāng)今的應(yīng)用和發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：離心泵;輕量化;機(jī)械結(jié)構(gòu);改進(jìn)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0094-02

0 ?引言

作為一種旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械設(shè)備，在離心泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程中，泵體和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是主要的改進(jìn)部分。所以在具體的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的軟件對(duì)其進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)來(lái)進(jìn)行合理的改進(jìn)設(shè)計(jì)。這樣才可以有效提升離心泵的使用效果，滿足其現(xiàn)代化工作條件下的實(shí)際需求。

1 ?離心泵泵體的輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

1.1 原泵體分析

在對(duì)離心泵原泵體進(jìn)行分析的過(guò)程中，將其二維模型作為依據(jù)，通過(guò)Solid Works這一軟件來(lái)進(jìn)行其三維模型的構(gòu)建，以此來(lái)對(duì)其剛度和強(qiáng)度等的富裕情況進(jìn)行分析。本次所研究的離心泵泵體材質(zhì)為304不銹鋼，以下是其材料參數(shù)：

然后借助于ANSYS Workbench這一軟件對(duì)該離心泵體模型進(jìn)行分析，具體分析中，一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容是對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在該模型的網(wǎng)格劃分中，主要將其分為39637個(gè)單元和70038個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)有效保障有限元分析精度[1]。

接下來(lái)是對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，按照其實(shí)際工況，在泵體的內(nèi)腔中施加了1MPa的壓強(qiáng)，并固定好泵體地腳，讓泵體和法蘭盤(pán)之間連接位置的進(jìn)出口位移得到有效的約束，然后對(duì)其應(yīng)力和總變形情況進(jìn)行分析。通過(guò)分析得出，在壓強(qiáng)是1MPa的條件下，該離心泵的最大等效應(yīng)力值大約是91.302MPa，變形最大的部分在泵體出口位置，最大變形值大約是0.102mm。通過(guò)其最大等效應(yīng)力值和最大變形值可以看出，該泵體的強(qiáng)度和剛度存在較大富裕，可實(shí)現(xiàn)輕量化改進(jìn)。

最后是模態(tài)分析，具體分析中，按照其實(shí)際應(yīng)用中的安裝形式來(lái)進(jìn)行泵體的約束，因泵體底部固定，所以需要在底座位置做固定約束處理;因其進(jìn)出口位置通常和法蘭盤(pán)連接，所以需要對(duì)其進(jìn)出口的位移加以約束。在完成了各種約束并檢查無(wú)誤之后，便可以對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，具體的模態(tài)分析結(jié)果如表2所示。

通過(guò)模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，本次所研究的離心泵體固有頻率比其實(shí)際工作頻率以及葉輪通過(guò)頻率大很多，所以在穩(wěn)定的工作狀態(tài)中，可對(duì)其進(jìn)行輕量化改進(jìn)。

1.2 泵體的輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)策略分析

1.2.1 厚度改進(jìn)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在泵體壁的現(xiàn)有厚度9mm的情況下，其剛度和強(qiáng)度都存在很大富裕，所以在改進(jìn)中，首先需要對(duì)其厚度加以改進(jìn)。改進(jìn)中，可按照以下公式來(lái)進(jìn)行厚度確定：

其中，δ代表泵體壁厚度，單位是mm;P代表設(shè)計(jì)點(diǎn)的實(shí)際壓力，單位是MPa;[σ]代表材料許用應(yīng)力，單位是MPa;D代表泵體內(nèi)壁徑向最大尺寸，單位是mm[2]。通過(guò)計(jì)算得出，泵體壁厚度為3.1mm，考慮到腐蝕情況，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)預(yù)留3mm以上的厚度富裕，所以本次最終將泵體壁厚度確定為7mm。

1.2.2 二維和三維設(shè)計(jì)改進(jìn)

在泵體厚度縮減中，其蝸室中的水利結(jié)構(gòu)和葉輪尺寸都不變，所以在輕量化改進(jìn)后，其性能參數(shù)也不會(huì)發(fā)生變化。因?yàn)殡x心泵底座在實(shí)際工作中會(huì)受到很大的一個(gè)應(yīng)力，所以在對(duì)泵體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)使其底座厚度也保持不變。按照原來(lái)泵體的設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合泵體壁厚度的公式，并將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)來(lái)進(jìn)行泵體二維和三維設(shè)計(jì)的合理改進(jìn)。

1.2.3 新泵體靜力學(xué)和模態(tài)分析

在對(duì)新泵體進(jìn)行靜力學(xué)以及模態(tài)分析的過(guò)程中，應(yīng)使其材料和約束方式與原泵體一致，且施加相等的載荷。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，新泵體等效應(yīng)力最大值為159.77MPa，材料許用應(yīng)力是172MPa，最大等效應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，說(shuō)明本次改造設(shè)計(jì)十分合理。但是通過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，泵體出口位置依然有著較大的振動(dòng)和形變量。在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析之后發(fā)現(xiàn)，出口位置的等效應(yīng)力最大值和材料許用應(yīng)力值之間的差量很小，因此為有效避免損壞情況，應(yīng)對(duì)出口位置的材料剛度和強(qiáng)度予以加強(qiáng)，所以需在原來(lái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上在出口位置進(jìn)行筋板加設(shè)。

在加設(shè)了筋板之后，新泵體的改進(jìn)效果如表3。

在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)之后，新的離心泵體工作狀態(tài)十分穩(wěn)定，其進(jìn)口位置不再有振動(dòng)過(guò)大或者是變形量過(guò)大等的情況，有效保障了泵體的安全穩(wěn)定運(yùn)行，使其更加符合實(shí)際工作需求。

2 ?離心泵軸承架的輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

2.1 原軸承架分析

在對(duì)原軸承架進(jìn)行分析的過(guò)程中，將其二維模型作為依據(jù)，通過(guò)Solid Works這一軟件來(lái)進(jìn)行其三維模型的構(gòu)建，并將材料屬性賦予軟件中的三維模型。在本次所研究的離心泵軸承架中，其材料為鑄鐵。在模型生成之后，通過(guò)軟件對(duì)原軸承架的質(zhì)量和體積等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)測(cè)量得出，在該離心泵中，原軸承架的質(zhì)量為16.3kg，體積為2300000mm3。圖1是本次所研究的離心泵軸承架二維圖。

2.2 軸承架輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

2.2.1 材料選擇

就目前來(lái)看，應(yīng)用到離心泵軸承架中的主要材料包括不銹鋼、鑄鋼和鑄鐵等，其中最具經(jīng)濟(jì)性的材料便是鑄鐵，但是鑄鐵材料的耐用性也最差;相對(duì)而言，鑄鋼的耐用性最好，但是其價(jià)格也最高，且鑄鋼材質(zhì)在軸承座中并不適用，如果將鑄鋼材質(zhì)用作離心泵的軸承座，在軸承架出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，其他部件也很可能遭到損壞[3]。相比較這兩者而言，不銹鋼材質(zhì)不僅價(jià)格比較合理，且具有良好的耐腐蝕性能。因此，出于經(jīng)濟(jì)方面和實(shí)用性方面考慮，在本次離心泵軸承架的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用的材質(zhì)是HT200型不銹鋼材質(zhì)。

2.2.2 厚度改進(jìn)

將上述的原設(shè)計(jì)情況及其參數(shù)作為依據(jù)，結(jié)合相關(guān)參考資料和具體的安裝方法，對(duì)軸承架結(jié)構(gòu)做出初步的設(shè)計(jì)。結(jié)合原來(lái)的二維設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)軸承架壁厚度做出初步確定，然后對(duì)其二維圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)Solid Works軟件實(shí)現(xiàn)三維模型的生成。接下來(lái)結(jié)合ANSYS Workbench這一軟件的多次力學(xué)分析結(jié)果來(lái)確定其最終的厚度。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算與分析，讓新的軸承架厚度得以合理縮減，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量和體積的合理縮減，最終設(shè)計(jì)出的新軸承架質(zhì)量為5.4kg，體積為750000mm3。

2.2.3 新軸承架的有限元分析

在對(duì)已經(jīng)確定的新軸承架進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，主要的分析軟件為ANSYS Workbench，并根據(jù)其靜力學(xué)分析結(jié)果來(lái)判斷改進(jìn)設(shè)計(jì)是否合理。首先是網(wǎng)格劃分，在本次有限元分析中，將新的軸承架進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，其總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為210757個(gè)，有限元數(shù)量得124377個(gè)以此來(lái)有效保障有限元分析精度。

通過(guò)本次軸承架的輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)綜合分析來(lái)看，相比較原軸承架而言，改進(jìn)之后的軸承架高度不變，長(zhǎng)度縮小了55mm，質(zhì)量減少了66%左右，體積縮小了67%以上，輕量化設(shè)計(jì)效果十分明顯。通過(guò)這樣的改進(jìn)設(shè)計(jì)，不僅有效節(jié)約了軸承架材料，也實(shí)現(xiàn)了整體離心泵美觀性的進(jìn)一步提升。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)之后的離心泵軸承架一切正常，運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性都得到了良好保障。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)今的很多工業(yè)企業(yè)中，離心泵都是一項(xiàng)關(guān)鍵性的機(jī)械設(shè)備，離心泵運(yùn)行質(zhì)量的良好保障將會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)起到有效的促進(jìn)作用。但是由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造工藝有限，使得離心泵在應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，比如泵體進(jìn)口振動(dòng)和損壞、軸承架共振等問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)離心泵的正常運(yùn)行造成了一定程度的不利影響。基于此，企業(yè)應(yīng)注重離心泵的輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)相應(yīng)的軟件來(lái)進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)分析，以此來(lái)制定出最佳的改進(jìn)方案，讓離心泵的應(yīng)用問(wèn)題得以有效解決，確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升其工作質(zhì)量。通過(guò)這樣的方式，才可以讓離心泵在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出充分的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的良好發(fā)展。

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