大溫差環(huán)境工作機(jī)對(duì)心支撐設(shè)計(jì)方法

周紅，黃志輝，余朋

(1.湖南湘電長(zhǎng)沙水泵有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205;2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 工程背景

工作在大溫差變化條件下的設(shè)備安裝，必定要面對(duì)設(shè)備機(jī)架遇熱膨脹和常溫收縮的問題，當(dāng)設(shè)備尺寸稍大時(shí)，通?？蓪⒃O(shè)備固定在特制的滑靴和導(dǎo)軌上，利用滑靴在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)，釋放熱膨脹產(chǎn)生的巨大破壞力［1－2］。這種處理方式的缺點(diǎn)是制造與安裝工藝復(fù)雜且機(jī)架支撐剛度不高。特種熱能交換泵因工況變化，要求在約90℃的傳送媒介溫度下工作，因安裝支腿法蘭受溫差影響，其徑向伸縮達(dá)1 mm，若被外部結(jié)構(gòu)強(qiáng)制限制，設(shè)備內(nèi)部零件熱脹應(yīng)力因無法釋放將導(dǎo)致零件應(yīng)力過大和配合間隙消失而失效;若讓其自由伸縮，又會(huì)導(dǎo)致設(shè)備定位中心移位，其連接管路與設(shè)備之間將產(chǎn)生附加載荷，對(duì)設(shè)備及管路均十分不利，而此類設(shè)備的安裝沒有成熟設(shè)計(jì)規(guī)范可以借鑒。

為滿足熱能交換泵支撐設(shè)計(jì)的定位準(zhǔn)確度、剛度和強(qiáng)度的要求，同時(shí)保證螺栓聯(lián)接的有效性。針對(duì)熱能交換泵的工作環(huán)境與泵送媒介特點(diǎn)，提出了設(shè)計(jì)專用金屬支撐架抵消熱泵機(jī)座伸縮影響，保證熱能交換泵有一個(gè)較準(zhǔn)確的安裝定位基準(zhǔn)的新方法。

研究對(duì)象有3條周向均布的支腿，每條支腿通過4個(gè)M24地腳螺栓固定在砼基礎(chǔ)上，因每個(gè)螺栓可以施加的最大預(yù)緊力Fmy=24.10 kN，取結(jié)合面之間的摩擦因數(shù)μ=0.15，則每個(gè)支腿螺栓組聯(lián)接最大可承受的徑向載荷 Fhz=4μFmy=144.60(kN)。因砼基礎(chǔ)支撐剛度大，將限制支腿沿徑向伸縮。經(jīng)分析，支腿伸縮將會(huì)對(duì)螺栓與基礎(chǔ)產(chǎn)生一個(gè)大小為210.00 kN的徑向作用力。這個(gè)推力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了螺栓聯(lián)接所能承受的最大徑向載荷。

專用金屬支撐架設(shè)計(jì)為焊接結(jié)構(gòu)，由3個(gè)對(duì)稱分布支撐板焊接在一個(gè)圓環(huán)法蘭上構(gòu)成，法蘭通過地腳螺栓聯(lián)接在砼基礎(chǔ)上。在支撐板的根部?jī)蓚?cè)各焊接一個(gè)小三角肋板，在保護(hù)支撐板焊縫的同時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致支撐板沿徑向的剛度過大增加。該支撐架的模型如圖1所示。熱能交換泵支腿固定在3個(gè)支撐板上，支撐架法蘭通過地腳螺栓聯(lián)接在砼基礎(chǔ)上。該支撐架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:通過3個(gè)寬度與厚度比值較大的鋼板支撐熱能交換泵，借助與熱泵機(jī)殼連接形成空心框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)板的彎曲截面系數(shù)計(jì)算公式，彎曲截面系數(shù)W=bδ2/6(式中:b為板的寬度;δ2為板的厚度)。支撐板在泵體徑向受熱伸長(zhǎng)方向上的厚度較小，故支撐板在沿工作機(jī)徑向上剛度較小，而在其切向上剛度較大。由于這3個(gè)徑向分布的支撐板結(jié)構(gòu)相同，故剛度相同，材料的回彈性也很穩(wěn)定，故在熱泵因熱伸縮時(shí)能較好地保證工作機(jī)定位的準(zhǔn)確性。

圖1 專用金屬支撐架模型圖

2 剛度與應(yīng)力分析

對(duì)支架建立模型后導(dǎo)入ANSYS有限元計(jì)算軟件。對(duì)模型施加約束，因?yàn)榉ㄌm的下底面固定在砼基礎(chǔ)上，故在法蘭下底面施加全固定約束，支撐板的上表面與熱能交換泵支腿連接，當(dāng)泵體支腿伸長(zhǎng)時(shí)，將限制支撐板上表面做與底面平行的平移傾斜，所以，施加一個(gè)約束保證支撐上表面與工作機(jī)的貼合。在支撐的上表面施加一個(gè)沿工作機(jī)受熱伸長(zhǎng)方向的、大小為1 mm的位移，以模擬工作機(jī)受熱膨脹后對(duì)支撐板的推動(dòng)作用。約束施加完成后提取支撐架的變形、應(yīng)力分布云圖(如圖2所示)和支撐板上表面產(chǎn)生1 mm位移時(shí)的支撐反力。

圖2 支撐架的等效應(yīng)力分布云圖

當(dāng)取支撐板的高度為400mm時(shí)，支撐架的米澤斯等效應(yīng)力分布云圖如圖2所示。此時(shí)支撐架上的最大等效應(yīng)力為88.76 MPa，出現(xiàn)在肋板與支撐板聯(lián)接的位置，支撐架的材料為Q345，其材料的屈服極限為345 MPa，所以，支撐架的強(qiáng)度符合要求。支撐板上表面產(chǎn)生1 mm的位移時(shí)將產(chǎn)生5.72 kN的反作用力，說明使其產(chǎn)生1 mm的位移需要的推力Ft=5.72 kN。根據(jù)以上計(jì)算，支撐架的螺栓聯(lián)接所能承受的最大橫向載荷Fmhz=14.46 kN。安全系數(shù)n=Fmhz/Ft=2.5，符合設(shè)計(jì)要求。

3 模態(tài)分析

為保證工作機(jī)在支架上安裝后工作時(shí)不因工作機(jī)主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生共振，將熱能交換泵及支撐架作為研究對(duì)象計(jì)算整體模態(tài)，取整體的前6階模態(tài)分析結(jié)果，其固有頻率見表1。將熱能交換泵與支撐架組裝為一個(gè)整體的第1階模態(tài)振型圖如圖3所示。

表1 支撐架與熱能交換泵整體的前6階模態(tài) Hz

圖3 熱能交換泵與支撐架組合為整體的第1階模態(tài)振型圖

熱能交換泵主軸工作頻率為24.67 Hz，分析計(jì)算結(jié)果可知，激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)的固有頻率，所以，系統(tǒng)沒有發(fā)生共振的危險(xiǎn)。

4 屈曲分析

熱能交換泵固定在支撐架的支撐板上，因支撐板的高度與厚度的比值較大，支撐板在承受熱泵壓力的作用下，當(dāng)支撐板受到側(cè)向干擾后使其發(fā)生輕微彎曲時(shí)，若壓力超過其穩(wěn)定臨界值，就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)而產(chǎn)生屈曲失效，故要求對(duì)支撐架進(jìn)行抗屈曲分析。

熱能交換泵正常工作時(shí)會(huì)使支撐板產(chǎn)生的最大徑向偏移為1 mm。故分析中分別使支撐板上表面沿徑向產(chǎn)生1 mm和2 mm的偏移，再施加熱能交換泵的工作載荷，分別計(jì)算2種情況下發(fā)生屈曲的極限。當(dāng)支撐板上表面產(chǎn)生1 mm的偏移時(shí)，發(fā)生第1階屈曲失效時(shí)的情況如圖4所示。當(dāng)載荷達(dá)到工作載荷的66.933倍時(shí)，才會(huì)發(fā)生屈曲。即使在第2種情況下，也需施加工作載荷的30多倍才會(huì)導(dǎo)致屈曲失穩(wěn)。故知不會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)。

圖4 支撐板上表面產(chǎn)生1 mm偏移時(shí)支撐架第1階屈曲失穩(wěn)圖

5 結(jié)束語

相對(duì)于在支腿安裝滑靴與導(dǎo)軌的熱脹應(yīng)力消除方法而言，該方法不但施工成本低，實(shí)施工藝性好，還可以提高機(jī)座支撐強(qiáng)度與剛度。采用該方法可以有效解決特種熱能交換泵安裝支腿徑向膨脹較大而導(dǎo)致地腳螺栓緊固在混凝土基礎(chǔ)上定位失效的問題，可避免采用復(fù)雜的滑動(dòng)基礎(chǔ)座結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方法已在企業(yè)產(chǎn)品中試試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

此外，由于支撐架工作在彈性變形區(qū)內(nèi)，借助金屬支撐架的材料回彈特性，在保障熱能交換泵中心定位的相對(duì)穩(wěn)定性與一致性的同時(shí)，保證了螺栓緊固的有效性。其設(shè)計(jì)原理對(duì)于解決工作在大溫差變化環(huán)境下的裝備而言，有很好的工程借鑒作用，可從根本上解決設(shè)備在砼基礎(chǔ)上用螺栓直接緊固失效而影響工作機(jī)具準(zhǔn)確中心位置的問題。文中指出的3個(gè)分析要點(diǎn)可依據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行取舍。

［1］紀(jì)鹿鳴.國(guó)外電除塵器概況［J］.硫酸工業(yè)，1980(6):34－42.

［2］黃華清.四輥軋機(jī)工作機(jī)座結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1981(4):185－191.