離心泵機械結構改進設計策略

肖樹劍 彭濤

摘要：在當今科技發展的帶動下，機械生產工藝技術也在不斷革新。為順應科技的發展與時代的進步，原有的機械結構需進一步的改進，以滿足其實際應用需求。就離心泵而言，輕量化已經成為其主要的發展方向?；诖?，本文對某冶煉企業的離心泵泵體和軸承架的輕量化改進設計策略進行分析，以此來有效滿足離心泵在當今的應用和發展需求。

關鍵詞：離心泵;輕量化;機械結構;改進設計

中圖分類號：TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0094-02

0 ?引言

作為一種旋轉形式的機械設備，在離心泵的機械結構改進過程中，泵體和轉子系統是主要的改進部分。所以在具體的改進設計中，我們應通過相應的軟件對其進行分析，并以此為依據來進行合理的改進設計。這樣才可以有效提升離心泵的使用效果，滿足其現代化工作條件下的實際需求。

1 ?離心泵泵體的輕量化改進設計分析

1.1 原泵體分析

在對離心泵原泵體進行分析的過程中，將其二維模型作為依據，通過Solid Works這一軟件來進行其三維模型的構建，以此來對其剛度和強度等的富裕情況進行分析。本次所研究的離心泵泵體材質為304不銹鋼，以下是其材料參數：

然后借助于ANSYS Workbench這一軟件對該離心泵體模型進行分析，具體分析中，一項關鍵內容是對模型進行網格劃分，在該模型的網格劃分中，主要將其分為39637個單元和70038個節點，以此來有效保障有限元分析精度[1]。

接下來是對其進行靜力學分析，按照其實際工況，在泵體的內腔中施加了1MPa的壓強，并固定好泵體地腳，讓泵體和法蘭盤之間連接位置的進出口位移得到有效的約束，然后對其應力和總變形情況進行分析。通過分析得出，在壓強是1MPa的條件下，該離心泵的最大等效應力值大約是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。通過其最大等效應力值和最大變形值可以看出，該泵體的強度和剛度存在較大富裕，可實現輕量化改進。

最后是模態分析，具體分析中，按照其實際應用中的安裝形式來進行泵體的約束，因泵體底部固定，所以需要在底座位置做固定約束處理;因其進出口位置通常和法蘭盤連接，所以需要對其進出口的位移加以約束。在完成了各種約束并檢查無誤之后，便可以對其進行模態分析，具體的模態分析結果如表2所示。

通過模態分析發現，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，所以在穩定的工作狀態中，可對其進行輕量化改進。

1.2 泵體的輕量化改進設計策略分析

1.2.1 厚度改進

通過分析發現，在泵體壁的現有厚度9mm的情況下，其剛度和強度都存在很大富裕，所以在改進中，首先需要對其厚度加以改進。改進中，可按照以下公式來進行厚度確定：

其中，δ代表泵體壁厚度，單位是mm;P代表設計點的實際壓力，單位是MPa;[σ]代表材料許用應力，單位是MPa;D代表泵體內壁徑向最大尺寸，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，根據相關技術標準，應預留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 二維和三維設計改進

在泵體厚度縮減中，其蝸室中的水利結構和葉輪尺寸都不變，所以在輕量化改進后，其性能參數也不會發生變化。因為離心泵底座在實際工作中會受到很大的一個應力，所以在對泵體進行輕量化設計的過程中，應使其底座厚度也保持不變。按照原來泵體的設計參數，綜合泵體壁厚度的公式，并將國際標準作為依據來進行泵體二維和三維設計的合理改進。

1.2.3 新泵體靜力學和模態分析

在對新泵體進行靜力學以及模態分析的過程中，應使其材料和約束方式與原泵體一致，且施加相等的載荷。通過分析發現，新泵體等效應力最大值為159.77MPa，材料許用應力是172MPa，最大等效應力在材料的許用應力范圍內，說明本次改造設計十分合理。但是通過實際應用發現，泵體出口位置依然有著較大的振動和形變量。在經過進一步分析之后發現，出口位置的等效應力最大值和材料許用應力值之間的差量很小，因此為有效避免損壞情況，應對出口位置的材料剛度和強度予以加強，所以需在原來設計基礎上在出口位置進行筋板加設。

在加設了筋板之后，新泵體的改進效果如表3。

在經過進一步的改進之后，新的離心泵體工作狀態十分穩定，其進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定運行，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設計分析

2.1 原軸承架分析

在對原軸承架進行分析的過程中，將其二維模型作為依據，通過Solid Works這一軟件來進行其三維模型的構建，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量和體積等各項參數進行測量。通過測量得出，在該離心泵中，原軸承架的質量為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 軸承架輕量化改進設計分析

2.2.1 材料選擇

就目前來看，應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，其中最具經濟性的材料便是鑄鐵，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，且鑄鋼材質在軸承座中并不適用，如果將鑄鋼材質用作離心泵的軸承座，在軸承架出現問題的情況下，其他部件也很可能遭到損壞[3]。相比較這兩者而言，不銹鋼材質不僅價格比較合理，且具有良好的耐腐蝕性能。因此，出于經濟方面和實用性方面考慮，在本次離心泵軸承架的改進設計中，應用的材質是HT200型不銹鋼材質。

2.2.2 厚度改進

將上述的原設計情況及其參數作為依據，結合相關參考資料和具體的安裝方法，對軸承架結構做出初步的設計。結合原來的二維設計圖紙，對軸承架壁厚度做出初步確定，然后對其二維圖進行設計，并通過Solid Works軟件實現三維模型的生成。接下來結合ANSYS Workbench這一軟件的多次力學分析結果來確定其最終的厚度。經過相應的計算與分析，讓新的軸承架厚度得以合理縮減，以此來實現其質量和體積的合理縮減，最終設計出的新軸承架質量為5.4kg，體積為750000mm3。

2.2.3 新軸承架的有限元分析

在對已經確定的新軸承架進行有限元分析的過程中，主要的分析軟件為ANSYS Workbench，并根據其靜力學分析結果來判斷改進設計是否合理。首先是網格劃分，在本次有限元分析中，將新的軸承架進行了網格劃分，其總節點數量為210757個，有限元數量得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設計綜合分析來看，相比較原軸承架而言，改進之后的軸承架高度不變，長度縮小了55mm，質量減少了66%左右，體積縮小了67%以上，輕量化設計效果十分明顯。通過這樣的改進設計，不僅有效節約了軸承架材料，也實現了整體離心泵美觀性的進一步提升。經實際運行發現，改進之后的離心泵軸承架一切正常，運行的安全性和穩定性都得到了良好保障。

3 ?結束語

綜上所述，在當今的很多工業企業中，離心泵都是一項關鍵性的機械設備，離心泵運行質量的良好保障將會對工業生產起到有效的促進作用。但是由于傳統設計和制造工藝有限，使得離心泵在應用中經常會出現很多問題，比如泵體進口振動和損壞、軸承架共振等問題，進而對離心泵的正常運行造成了一定程度的不利影響?；诖?，企業應注重離心泵的輕量化改進設計，通過相應的軟件來進行建模和數據分析，以此來制定出最佳的改進方案，讓離心泵的應用問題得以有效解決，確保其安全穩定運行，提升其工作質量。通過這樣的方式，才可以讓離心泵在工業生產中發揮出充分的應用價值，促進工業領域的良好發展。

參考文獻：

[1]張明星，張文斌，王璐，劉瑞青，劉琦.離心泵級間間隙數值模擬及結構優化[J].船海工程，2020（06）：91-94，98.

[2]張元華，賈煉，劉莉莉，王禹森，李小宇.單級雙吸清水離心泵雙吸密封環間隙的節能改進試驗[J].液壓氣動與密封，2020（12）：81-82，88.

[3]唐春仁，吳尉，陳金平.系統測試臺架影響離心泵低頻隔振效果的研究[J].水泵技術，2020（05）：39-42，48.