離心泵機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計策略

肖樹劍 彭濤

摘要：在當(dāng)今科技發(fā)展的帶動下，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?；诖耍疚膶δ骋睙捚髽I(yè)的離心泵泵體和軸承架的輕量化改進(jìn)設(shè)計策略進(jìn)行分析，以此來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

中圖分類號：TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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)計中，我們應(yīng)通過相應(yīng)的軟件對其進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)來進(jìn)行合理的改進(jìn)設(shè)計。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際需求。

1 ?離心泵泵體的輕量化改進(jìn)設(shè)計分析

1.1 原泵體分析

在對離心泵原泵體進(jìn)行分析的過程中，將其二維模型作為依據(jù)，通過Solid Works這一軟件來進(jìn)行其三維模型的構(gòu)建，以此來對其剛度和強(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這一軟件對該離心泵體模型進(jìn)行分析，具體分析中，一項關(guān)鍵內(nèi)容是對模型進(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個單元和70038個節(jié)點，以此來有效保障有限元分析精度[1]。

接下來是對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，按照其實際工況，在泵體的內(nèi)腔中施加了1MPa的壓強(qiáng)，并固定好泵體地腳，讓泵體和法蘭盤之間連接位置的進(jìn)出口位移得到有效的約束，然后對其應(yīng)力和總變形情況進(jìn)行分析。通過分析得出，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，按照其實際應(yīng)用中的安裝形式來進(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連接，所以需要對其進(jìn)出口的位移加以約束。在完成了各種約束并檢查無誤之后，便可以對其進(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際工作頻率以及葉輪通過頻率大很多，所以在穩(wěn)定的工作狀態(tài)中，可對其進(jìn)行輕量化改進(jìn)。

1.2 泵體的輕量化改進(jìn)設(shè)計策略分析

1.2.1 厚度改進(jìn)

通過分析發(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，首先需要對其厚度加以改進(jìn)。改進(jìn)中，可按照以下公式來進(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)計點的實際壓力，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]。通過計算得出，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)也不會發(fā)生變化。因為離心泵底座在實際工作中會受到很大的一個應(yīng)力，所以在對泵體進(jìn)行輕量化設(shè)計的過程中，應(yīng)使其底座厚度也保持不變。按照原來泵體的設(shè)計參數(shù)，綜合泵體壁厚度的公式，并將國際標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)來進(jìn)行泵體二維和三維設(shè)計的合理改進(jìn)。

1.2.3 新泵體靜力學(xué)和模態(tài)分析

在對新泵體進(jìn)行靜力學(xué)以及模態(tài)分析的過程中，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)，說明本次改造設(shè)計十分合理。但是通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，泵體出口位置依然有著較大的振動和形變量。在經(jīng)過進(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)對出口位置的材料剛度和強(qiáng)度予以加強(qiáng)，所以需在原來設(shè)計基礎(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)口位置不再有振動過大或者是變形量過大等的情況，有效保障了泵體的安全穩(wěn)定運(yùn)行，使其更加符合實際工作需求。

2 ?離心泵軸承架的輕量化改進(jìn)設(shè)計分析

2.1 原軸承架分析

在對原軸承架進(jìn)行分析的過程中，將其二維模型作為依據(jù)，通過Solid Works這一軟件來進(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，通過軟件對原軸承架的質(zhì)量和體積等各項參數(shù)進(jìn)行測量。通過測量得出，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)計分析

2.2.1 材料選擇

就目前來看，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;相對而言，鑄鋼的耐用性最好，但是其價格也最高，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)方面和實用性方面考慮，在本次離心泵軸承架的改進(jìn)設(shè)計中，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，對軸承架結(jié)構(gòu)做出初步的設(shè)計。結(jié)合原來的二維設(shè)計圖紙，對軸承架壁厚度做出初步確定，然后對其二維圖進(jìn)行設(shè)計，并通過Solid Works軟件實現(xiàn)三維模型的生成。接下來結(jié)合ANSYS Workbench這一軟件的多次力學(xué)分析結(jié)果來確定其最終的厚度。經(jīng)過相應(yīng)的計算與分析，讓新的軸承架厚度得以合理縮減，以此來實現(xiàn)其質(zhì)量和體積的合理縮減，最終設(shè)計出的新軸承架質(zhì)量為5.4kg，體積為750000mm3。

2.2.3 新軸承架的有限元分析

在對已經(jīng)確定的新軸承架進(jìn)行有限元分析的過程中，主要的分析軟件為ANSYS Workbench，并根據(jù)其靜力學(xué)分析結(jié)果來判斷改進(jìn)設(shè)計是否合理。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)點數(shù)量為210757個，有限元數(shù)量得124377個以此來有效保障有限元分析精度。

通過本次軸承架的輕量化改進(jìn)設(shè)計綜合分析來看，相比較原軸承架而言，改進(jìn)之后的軸承架高度不變，長度縮小了55mm，質(zhì)量減少了66%左右，體積縮小了67%以上，輕量化設(shè)計效果十分明顯。通過這樣的改進(jìn)設(shè)計，不僅有效節(jié)約了軸承架材料，也實現(xiàn)了整體離心泵美觀性的進(jìn)一步提升。經(jīng)實際運(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

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)量的良好保障將會對工業(yè)生產(chǎn)起到有效的促進(jìn)作用。但是由于傳統(tǒng)設(shè)計和制造工藝有限，使得離心泵在應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)很多問題，比如泵體進(jìn)口振動和損壞、軸承架共振等問題，進(jìn)而對離心泵的正常運(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，通過相應(yīng)的軟件來進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)分析，以此來制定出最佳的改進(jìn)方案，讓離心泵的應(yīng)用問題得以有效解決，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)用價值，促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的良好發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明星，張文斌，王璐，劉瑞青，劉琦.離心泵級間間隙數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].船海工程，2020（06）：91-94，98.

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