离心泵机械结构改进设计策略

肖树剑 彭涛

摘要：在当今科技发展的带动下，机械生产工艺技术也在不断革新。为顺应科技的发展与时代的进步，原有的机械结构需进一步的改进，以满足其实际应用需求。就离心泵而言，轻量化已经成为其主要的发展方向。基于此，本文对某冶炼企业的离心泵泵体和轴承架的轻量化改进设计策略进行分析，以此来有效满足离心泵在当今的应用和发展需求。

关键词：离心泵;轻量化;机械结构;改进设计

中图分类号：TH16                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0094-02

0  引言

作为一种旋转形式的机械设备，在离心泵的机械结构改进过程中，泵体和转子系统是主要的改进部分。所以在具体的改进设计中，我们应通过相应的软件对其进行分析，并以此为依据来进行合理的改进设计。这样才可以有效提升离心泵的使用效果，满足其现代化工作条件下的实际需求。

1  离心泵泵体的轻量化改进设计分析

1.1 原泵体分析

在对离心泵原泵体进行分析的过程中，将其二维模型作为依据，通过Solid Works这一软件来进行其三维模型的构建，以此来对其刚度和强度等的富裕情况进行分析。本次所研究的离心泵泵体材质为304不锈钢，以下是其材料参数：

然后借助于ANSYS Workbench这一软件对该离心泵体模型进行分析，具体分析中，一项关键内容是对模型进行网格划分，在该模型的网格划分中，主要将其分为39637个单元和70038个节点，以此來有效保障有限元分析精度[1]。

接下来是对其进行静力学分析，按照其实际工况，在泵体的内腔中施加了1MPa的压强，并固定好泵体地脚，让泵体和法兰盘之间连接位置的进出口位移得到有效的约束，然后对其应力和总变形情况进行分析。通过分析得出，在压强是1MPa的条件下，该离心泵的最大等效应力值大约是91.302MPa，变形最大的部分在泵体出口位置，最大变形值大约是0.102mm。通过其最大等效应力值和最大变形值可以看出，该泵体的强度和刚度存在较大富裕，可实现轻量化改进。

最后是模态分析，具体分析中，按照其实际应用中的安装形式来进行泵体的约束，因泵体底部固定，所以需要在底座位置做固定约束处理;因其进出口位置通常和法兰盘连接，所以需要对其进出口的位移加以约束。在完成了各种约束并检查无误之后，便可以对其进行模态分析，具体的模态分析结果如表2所示。

通过模态分析发现，本次所研究的离心泵体固有频率比其实际工作频率以及叶轮通过频率大很多，所以在稳定的工作状态中，可对其进行轻量化改进。

1.2 泵体的轻量化改进设计策略分析

1.2.1 厚度改进

通过分析发现，在泵体壁的现有厚度9mm的情况下，其刚度和强度都存在很大富裕，所以在改进中，首先需要对其厚度加以改进。改进中，可按照以下公式来进行厚度确定：

其中，δ代表泵体壁厚度，单位是mm;P代表设计点的实际压力，单位是MPa;[σ]代表材料许用应力，单位是MPa;D代表泵体内壁径向最大尺寸，单位是mm[2]。通过计算得出，泵体壁厚度为3.1mm，考虑到腐蚀情况，根据相关技术标准，应预留3mm以上的厚度富裕，所以本次最终将泵体壁厚度确定为7mm。

1.2.2 二维和三维设计改进

在泵体厚度缩减中，其蜗室中的水利结构和叶轮尺寸都不变，所以在轻量化改进后，其性能参数也不会发生变化。因为离心泵底座在实际工作中会受到很大的一个应力，所以在对泵体进行轻量化设计的过程中，应使其底座厚度也保持不变。按照原来泵体的设计参数，综合泵体壁厚度的公式，并将国际标准作为依据来进行泵体二维和三维设计的合理改进。

1.2.3 新泵体静力学和模态分析

在对新泵体进行静力学以及模态分析的过程中，应使其材料和约束方式与原泵体一致，且施加相等的载荷。通过分析发现，新泵体等效应力最大值为159.77MPa，材料许用应力是172MPa，最大等效应力在材料的许用应力范围内，说明本次改造设计十分合理。但是通过实际应用发现，泵体出口位置依然有着较大的振动和形变量。在经过进一步分析之后发现，出口位置的等效应力最大值和材料许用应力值之间的差量很小，因此为有效避免损坏情况，应对出口位置的材料刚度和强度予以加强，所以需在原来设计基础上在出口位置进行筋板加设。

在加设了筋板之后，新泵体的改进效果如表3。

在经过进一步的改进之后，新的离心泵体工作状态十分稳定，其进口位置不再有振动过大或者是变形量过大等的情况，有效保障了泵体的安全稳定运行，使其更加符合实际工作需求。

2  离心泵轴承架的轻量化改进设计分析

2.1 原轴承架分析

在对原轴承架进行分析的过程中，将其二维模型作为依据，通过Solid Works这一软件来进行其三维模型的构建，并将材料属性赋予软件中的三维模型。在本次所研究的离心泵轴承架中，其材料为铸铁。在模型生成之后，通过软件对原轴承架的质量和体积等各项参数进行测量。通过测量得出，在该离心泵中，原轴承架的质量为16.3kg，体积为2300000mm3。图1是本次所研究的离心泵轴承架二维图。

2.2 轴承架轻量化改进设计分析

2.2.1 材料选择

就目前来看，应用到离心泵轴承架中的主要材料包括不锈钢、铸钢和铸铁等，其中最具经济性的材料便是铸铁，但是铸铁材料的耐用性也最差;相对而言，铸钢的耐用性最好，但是其价格也最高，且铸钢材质在轴承座中并不适用，如果将铸钢材质用作离心泵的轴承座，在轴承架出现问题的情况下，其他部件也很可能遭到损坏[3]。相比较这两者而言，不锈钢材质不仅价格比较合理，且具有良好的耐腐蚀性能。因此，出于经济方面和实用性方面考虑，在本次离心泵轴承架的改进设计中，应用的材质是HT200型不锈钢材质。

2.2.2 厚度改进

将上述的原设计情况及其参数作为依据，结合相关参考资料和具体的安装方法，对轴承架结构做出初步的设计。结合原来的二维设计图纸，对轴承架壁厚度做出初步确定，然后对其二维图进行设计，并通过Solid Works软件实现三维模型的生成。接下来结合ANSYS Workbench这一软件的多次力学分析结果来确定其最终的厚度。经过相应的计算与分析，让新的轴承架厚度得以合理缩减，以此来实现其质量和体积的合理缩减，最终设计出的新轴承架质量为5.4kg，体积为750000mm3。

2.2.3 新轴承架的有限元分析

在对已经确定的新轴承架进行有限元分析的过程中，主要的分析软件为ANSYS Workbench，并根据其静力学分析结果来判断改进设计是否合理。首先是网格划分，在本次有限元分析中，将新的轴承架进行了网格划分，其总节点数量为210757个，有限元数量得124377个以此来有效保障有限元分析精度。

通过本次轴承架的轻量化改进设计综合分析来看，相比较原轴承架而言，改进之后的轴承架高度不变，长度缩小了55mm，质量减少了66%左右，体积缩小了67%以上，轻量化设计效果十分明显。通过这样的改进设计，不仅有效节约了轴承架材料，也实现了整体离心泵美观性的进一步提升。经实际运行发现，改进之后的离心泵轴承架一切正常，运行的安全性和稳定性都得到了良好保障。

3  结束语

综上所述，在当今的很多工业企业中，离心泵都是一项关键性的机械设备，离心泵运行质量的良好保障将会对工业生产起到有效的促进作用。但是由于传统设计和制造工艺有限，使得离心泵在应用中经常会出现很多问题，比如泵体进口振动和损坏、轴承架共振等问题，进而对离心泵的正常運行造成了一定程度的不利影响。基于此，企业应注重离心泵的轻量化改进设计，通过相应的软件来进行建模和数据分析，以此来制定出最佳的改进方案，让离心泵的应用问题得以有效解决，确保其安全稳定运行，提升其工作质量。通过这样的方式，才可以让离心泵在工业生产中发挥出充分的应用价值，促进工业领域的良好发展。

参考文献：

[1]张明星，张文斌，王璐，刘瑞青，刘琦.离心泵级间间隙数值模拟及结构优化[J].船海工程，2020（06）：91-94，98.

[2]张元华，贾炼，刘莉莉，王禹森，李小宇.单级双吸清水离心泵双吸密封环间隙的节能改进试验[J].液压气动与密封，2020（12）：81-82，88.

[3]唐春仁，吴尉，陈金平.系统测试台架影响离心泵低频隔振效果的研究[J].水泵技术，2020（05）：39-42，48.