大温差环境工作机对心支撑设计方法

周红，黄志辉，余朋

(1.湖南湘电长沙水泵有限公司，湖南 长沙 410205;2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083)

1 工程背景

工作在大温差变化条件下的设备安装，必定要面对设备机架遇热膨胀和常温收缩的问题，当设备尺寸稍大时，通常可将设备固定在特制的滑靴和导轨上，利用滑靴在导轨上的滑动，释放热膨胀产生的巨大破坏力［1－2］。这种处理方式的缺点是制造与安装工艺复杂且机架支撑刚度不高。特种热能交换泵因工况变化，要求在约90℃的传送媒介温度下工作，因安装支腿法兰受温差影响，其径向伸缩达1 mm，若被外部结构强制限制，设备内部零件热胀应力因无法释放将导致零件应力过大和配合间隙消失而失效;若让其自由伸缩，又会导致设备定位中心移位，其连接管路与设备之间将产生附加载荷，对设备及管路均十分不利，而此类设备的安装没有成熟设计规范可以借鉴。

为满足热能交换泵支撑设计的定位准确度、刚度和强度的要求，同时保证螺栓联接的有效性。针对热能交换泵的工作环境与泵送媒介特点，提出了设计专用金属支撑架抵消热泵机座伸缩影响，保证热能交换泵有一个较准确的安装定位基准的新方法。

研究对象有3条周向均布的支腿，每条支腿通过4个M24地脚螺栓固定在砼基础上，因每个螺栓可以施加的最大预紧力Fmy=24.10 kN，取结合面之间的摩擦因数μ=0.15，则每个支腿螺栓组联接最大可承受的径向载荷 Fhz=4μFmy=144.60(kN)。因砼基础支撑刚度大，将限制支腿沿径向伸缩。经分析，支腿伸缩将会对螺栓与基础产生一个大小为210.00 kN的径向作用力。这个推力已经远远超过了螺栓联接所能承受的最大径向载荷。

专用金属支撑架设计为焊接结构，由3个对称分布支撑板焊接在一个圆环法兰上构成，法兰通过地脚螺栓联接在砼基础上。在支撑板的根部两侧各焊接一个小三角肋板，在保护支撑板焊缝的同时，不会导致支撑板沿径向的刚度过大增加。该支撑架的模型如图1所示。热能交换泵支腿固定在3个支撑板上，支撑架法兰通过地脚螺栓联接在砼基础上。该支撑架的结构特点为:通过3个宽度与厚度比值较大的钢板支撑热能交换泵，借助与热泵机壳连接形成空心框架结构。根据板的弯曲截面系数计算公式，弯曲截面系数W=bδ2/6(式中:b为板的宽度;δ2为板的厚度)。支撑板在泵体径向受热伸长方向上的厚度较小，故支撑板在沿工作机径向上刚度较小，而在其切向上刚度较大。由于这3个径向分布的支撑板结构相同，故刚度相同，材料的回弹性也很稳定，故在热泵因热伸缩时能较好地保证工作机定位的准确性。

图1 专用金属支撑架模型图

2 刚度与应力分析

对支架建立模型后导入ANSYS有限元计算软件。对模型施加约束，因为法兰的下底面固定在砼基础上，故在法兰下底面施加全固定约束，支撑板的上表面与热能交换泵支腿连接，当泵体支腿伸长时，将限制支撑板上表面做与底面平行的平移倾斜，所以，施加一个约束保证支撑上表面与工作机的贴合。在支撑的上表面施加一个沿工作机受热伸长方向的、大小为1 mm的位移，以模拟工作机受热膨胀后对支撑板的推动作用。约束施加完成后提取支撑架的变形、应力分布云图(如图2所示)和支撑板上表面产生1 mm位移时的支撑反力。

图2 支撑架的等效应力分布云图

当取支撑板的高度为400mm时，支撑架的米泽斯等效应力分布云图如图2所示。此时支撑架上的最大等效应力为88.76 MPa，出现在肋板与支撑板联接的位置，支撑架的材料为Q345，其材料的屈服极限为345 MPa，所以，支撑架的强度符合要求。支撑板上表面产生1 mm的位移时将产生5.72 kN的反作用力，说明使其产生1 mm的位移需要的推力Ft=5.72 kN。根据以上计算，支撑架的螺栓联接所能承受的最大横向载荷Fmhz=14.46 kN。安全系数n=Fmhz/Ft=2.5，符合设计要求。

3 模态分析

为保证工作机在支架上安装后工作时不因工作机主轴做旋转运动而发生共振，将热能交换泵及支撑架作为研究对象计算整体模态，取整体的前6阶模态分析结果，其固有频率见表1。将热能交换泵与支撑架组装为一个整体的第1阶模态振型图如图3所示。

表1 支撑架与热能交换泵整体的前6阶模态 Hz

图3 热能交换泵与支撑架组合为整体的第1阶模态振型图

热能交换泵主轴工作频率为24.67 Hz，分析计算结果可知，激励频率远离系统的固有频率，所以，系统没有发生共振的危险。

4 屈曲分析

热能交换泵固定在支撑架的支撑板上，因支撑板的高度与厚度的比值较大，支撑板在承受热泵压力的作用下，当支撑板受到侧向干扰后使其发生轻微弯曲时，若压力超过其稳定临界值，就会发生失稳而产生屈曲失效，故要求对支撑架进行抗屈曲分析。

热能交换泵正常工作时会使支撑板产生的最大径向偏移为1 mm。故分析中分别使支撑板上表面沿径向产生1 mm和2 mm的偏移，再施加热能交换泵的工作载荷，分别计算2种情况下发生屈曲的极限。当支撑板上表面产生1 mm的偏移时，发生第1阶屈曲失效时的情况如图4所示。当载荷达到工作载荷的66.933倍时，才会发生屈曲。即使在第2种情况下，也需施加工作载荷的30多倍才会导致屈曲失稳。故知不会发生屈曲失稳。

图4 支撑板上表面产生1 mm偏移时支撑架第1阶屈曲失稳图

5 结束语

相对于在支腿安装滑靴与导轨的热胀应力消除方法而言，该方法不但施工成本低，实施工艺性好，还可以提高机座支撑强度与刚度。采用该方法可以有效解决特种热能交换泵安装支腿径向膨胀较大而导致地脚螺栓紧固在混凝土基础上定位失效的问题，可避免采用复杂的滑动基础座结构。该设计方法已在企业产品中试试验中得到了验证。

此外，由于支撑架工作在弹性变形区内，借助金属支撑架的材料回弹特性，在保障热能交换泵中心定位的相对稳定性与一致性的同时，保证了螺栓紧固的有效性。其设计原理对于解决工作在大温差变化环境下的装备而言，有很好的工程借鉴作用，可从根本上解决设备在砼基础上用螺栓直接紧固失效而影响工作机具准确中心位置的问题。文中指出的3个分析要点可依据工程特点进行取舍。

［1］纪鹿鸣.国外电除尘器概况［J］.硫酸工业，1980(6):34－42.

［2］黄华清.四辊轧机工作机座结构参数优化设计［J］.北京科技大学学报，1981(4):185－191.