立式往复泵动力箱体优化与减振的研究

2018-01-25 07:38:20陈正文缪小冬滕汉东刘海山文宏刚

流体机械 2017年7期

陈正文，缪小冬，鲁飞，滕汉东，刘海山，文宏刚

（1.合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031；2.南京工业大学，江苏南京 210009；3.南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点试验室，江苏南京 210016）

1 前言

往复泵具有高压力、恒流量、高效率等优点，在石油、化工、冶金、采矿、船舶等领域得到了广泛的应用［1］。立式双作用往复泵，因其结构紧凑、占地面积小等显著特点，在船舶、车载设备上广泛应用。而泵的振动和噪声，造成恶劣的工作环境，影响人员健康，越来越受到用户的关注。因此，泵的减振降噪成为业内研究和解决的难点和重点问题［2，3］。

传统的立式往复泵以双缸双作用为主，主要由原动机、动力端及液力端3部分组成，普遍存在较大的振动问题［4～6］。本文设计一种立式三缸双作用往复泵，其动力端部件主要包括动力箱体、蜗轮蜗杆、曲轴、连杆、十字头等。其中，动力箱是三缸泵中的重要组成部分，是安装曲轴、蜗轮蜗杆的重要部件，也是安装电机的支架，将各部分主要工作零部件有效的固定，提供稳定的运行环境。同时，4个固定螺栓座用于墙面固定加固刚性，下端通过4根支撑柱与液力端缸体相连。由于其工作的连接复杂性，其几何模型中结构形状复杂，例如边角以及加强筋等结构，同时各个零部件传递的载荷也较多，因此有必要对动力箱进行强度考核，同时分析其模态阵型和冲击载荷下的动力响应。

本文针对某立式三缸双作用往复泵动力箱体（见图1所示的虚线部分），在前处理器HyperMesh里建立三维有限元模型，用ANSYS分析箱体受力特性，然后根据结果对箱体结构做出优化，通过试验对比验证改进前后的减振效果，来验证优化方法的有效性。

图1 往复泵三维模型

2 原动力箱体有限元模型及载荷边界条件

原动力箱体如图2所示，有限元应力分析采用ANSYS软件计算，将solidworks软件建立的动力箱实体模型通过结构导入ANSYS的AWB平台，并设置材料属性［7，8］。有限元网格模型采用自由分网进行网格离散，对局部细节进行加密处理，其有限元网格如图2所示，其中划分单元66925个，节点120967个。

图2 原动力箱有限元网格模型

根据综合分析可知，动力箱体所受到的载荷及约束如下：（1）电机自身重力及扭矩对动力箱产生的压力与扭矩；（2）曲轴以及蜗杆等作用力通过轴承座传递到箱体；（3）箱体通过4根立柱固定；（4）侧面通过4个螺栓固定在侧面支架上。

根据以上受力情况，为了便于施加载荷，引入曲轴等效体和4根立柱，同时引入两个质量点，一个等效电机重量，另一个等效蜗杆重量，曲轴等效体质量为曲轴、连杆、轴承以及轴承座等质量之和，其中电机质量550 kg，蜗杆质量14 kg，曲轴等效体质量120 kg。

为了模拟动力箱的真实受力情况，在曲轴等效体与箱体、蜗杆等效体与箱体在轴承座处采用接触处理，以便将曲轴以及连杆产生的拉力传递到箱体。4根立柱的台阶面与箱体连接配合面采用接触处理，以便模拟实际情况。

载荷与边界条件施加情况如图3所示，其中G为电机质量，施加在法兰连接面上；T为扭矩施加在电机质量块上，由连接电机与箱体之间的螺栓传递；H为蜗杆质量，施加在蜗杆座上；K为曲轴重力作用在曲轴上，由曲轴自由分布在轴承支座上；2为4个支柱螺栓孔，约束y方向移动自由度以及x和z方向的旋转自由度；6为箱体安装平面约束，约束z移动自由度以及x和y的旋转自由度；1为4个安装底脚螺栓孔，约束x，y，z方向移动自由度以及x，y，z方向的旋转自由度；3，4，5分别为蜗杆、曲轴两端受力，其中曲轴通过接触传递到动力箱体，蜗杆力通过接触传递到箱体上（如图3所示）。

图3 载荷及边界条件示意

由于曲轴的旋转过程中受到的力是变化的，首先需要对曲轴进行受力分析。

曲轴在运转的过程中，受如下力的作用：电动机输入扭矩、连杆作用力（交变作用力）、轴断轴颈支撑力、旋转离心力和重力。除以上5种作用力外，还有轴孔不同心造成的曲轴装配应力以及温度变化产生的热应力，这些力随机性强，计算中不予考虑。载荷以及边界条件施加如图4所示。其中，A，B为左右轴承端约束，约束x、y和z轴3个方向的移动自由度以及y和z轴旋转自由度，释放x轴自由度，由图得左端为压紧端，右端为放松端，因此释放x方向自由度；对于输入扭矩，它同连杆作用力产生的反扭矩相互抵消，将蜗轮受力加上；对于连杆作用力Pc，沿着连杆运动方向垂直施加作用在圆柱面上；G为整体重力沿Y负方向；离心力施加，只要加载曲轴角速度ω。