基于有限元法的立式泵底座优化设计

周庆 夏国龙 徐剑云 张斌 范祖相

摘 要：立式泵底座主要用于支撑立式水泵，保证水泵安装满足测试要求，整体运转平稳，并符合一定的轻量化和低振动要求。目前，船用泵对其低振动提出了更高的要求，在低振动泵试验台搭建过程中，需要匹配与之相应的低振动水泵测试底座，为低振动水泵试验台提供必要的保障。现针对原有底座结构，建立三维模型，通过分析受力分布和应力变形，提出了改进优化方案，解决了水泵底座低频振动的问题。

关键词：立式泵;底座;优化设计;有限元

0    引言

在实际工程设计过程中，有限元设计是最常用的方法之一。有限元设计能够让设计者在设计初期通过全面考虑产品开发的每个影响因素，并通过有限元软件的模拟仿真，将影响产品开发的因素、设计理念与产品相结合，将产品风险降至最低。

有限元设计是通过仿真建立三维模型，加載外部约束和外部应力，分析模型的应力和变形;通过有限元分析大幅缩短设计周期，有效提升设计质量，降低设计成本。

目前，国内的底座设计优化领域通常采用有限元方法来分析及优化底座结构。太原科技大学的司炎飞在基于有限元法的液压支架优化设计研究中，通过有限元方法对液压支架施加模拟载荷，分析应力变形和应力分布，并提出了优化解决方案。长沙天鹅工业泵股份有限公司的施蓉等人分析了传统卧式泵底座的不足之处，分别介绍了泵与电机中心高在不同情况下改进后的卧式直联泵底座结构的设计要点，通过优化设计，提高了设计质量，降低了生产制造成本，经济效益明显。

本文对原有水泵试验台底座（图1）进行了优化改进。在安装过程中，发现原有水泵试验台底座的梁出现了位移变形，虽然仍可以为水泵提供运行支撑，但是水泵低频振动超标。分析其原因为原立式安装底座设计不合理，4个支撑支架底部有强约束，水泵重心太高，水泵支撑处存在安装支撑变形的情况。从安装减震器的情况来看，支架安装好以后，当拧紧底座固定螺栓时，减震器底部有明显变形，说明支架的4个立柱存在变形，需要通过有限元分析途径进行优化设计。

1    边界条件设定

根据4个支柱的结构特点及原支撑底座的支撑特点，对底座进行了结构性加固。原底座由4个H钢和1个底板组成，底座上表面为安装面，底座尺寸为840 mm×700 mm×1 381 mm，重量为305 kg。

采用Creo2.0软件对原底座进行建模，原底座与地面通过螺栓固定，4个螺栓固定部位为固定约束，底座上方安装面用于支撑水泵，水泵重量约150 kg，安装面面积为0.09 m2，相当于底座安装面承受0.016 MPa的静压力。

2    原底座仿真分析

通过有限元软件对原底座模型进行网格划分，网格宽度为20 mm，并通过静力学分析对模型进行数值模拟仿真，分析模型的应力分布和变形，如图2、图3所示。

有限元分析结果显示，原底座上部缺少固定，导致原底座上部在受外加载力的情况下，会出现上部弯曲、上部支撑不稳等情况。底座应力约为3 MPa，变形量约为0.028 mm，尤其顶部安装面附近变形量较大，水泵底座低频振动会直接导致水泵振动大。

3    底座优化改进

根据有限元计算结果，提出了底座改进方案。根据原支撑架的特点，利用最简单的方式对支撑架进行加固，分别在原支撑架1/2处和1/3处进行加固，保证水泵底座顶端的稳定性。

在底座4个H钢四周侧面增加筋板，利用槽钢焊接在原支架的4个侧面，增加水平方向和上部的稳定性，按照原模型有限元边界条件，并加载同样的外在力，对有限元模型进行分析，改进后的模型如图4所示。改进后外形尺寸保持不变，重量增加了39 kg，为344 kg，整个重心基本保持不变。

采用同样的有限元数值仿真分析方法对改进后底座进行数值仿真分析，即给定边界条件为4个螺栓固定部位为固定约束，相当于底座安装面承受0.016 MPa的静压力。有限元分析结果显示（图5、图6），经过改进，底座应力降至1.84 MPa，变形量降至0.002 mm，说明改进后整体结构稳定，变形量小，改进效果显著。经过试验验证，水泵在安装过程中，支架底座安装面没有明显变形，说明4个支柱及支架结构稳定。在试验测试过程中发现，水泵低频振动放大效果得到抑制，说明改进后，整体支架确实有很好的效果和很明显的低频振动抑制效果。

4    结语

立式泵底座对水泵的稳定安装至关重要，底座结构是否稳定，强度是否符合使用要求，底座在安装状态下是否会发生变形，都是在设计阶段要考虑的要素。采用有限元方法对改进方案的数值进行分析，可以缩短设计周期，提高设计质量，为改进方案提供有效的数据支撑。改进后的水泵运行状态平稳，底座结构稳定，改进效果显著。在试验测试过程中发现，水泵低频振动放大效果得到抑制，说明改进后，整体支架确实有很好的效果和很明显的低频振动抑制效果。

[参考文献]

[1] 司炎飞.基于有限元法的液压支架优化设计研究[D].太原：太原科技大学，2014.

[2] 施蓉，方友兴.一种卧式泵底座设计的改进[J].水泵技术，2009（6）：13-15.

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[7] 李翠勤.液压支架主体结构件疲劳寿命分析[D].太原：太原理工大学，2012.

收稿日期：2020-11-18

作者简介：周庆（1979—），男，江苏建湖人，工程师，研究方向：特种发动机。