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离心泵管嘴受力的有限元分析及研究 |
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论文摘要：本文采用大型建模软件Pro/E，建立国内石化行业广泛使用的离心泵的壳体模型。用分析软件Ansys对几种工况分别进行有限元计算分析，对美国石油协会API610关于离心泵管嘴允许受力的标准进行了研究，得出了该载荷与控制值之间关系以及此载荷值放大倍数。
作者：潘成芸1 温德超2 赵军1 冷纪桐1（1北京化工大学机电工程学院，北京，100029；
2北京石化工程建设公司 北京，100101）
1.前言
泵在化工及石化行业中是一种较为常见又很重要的装置。生产中合理正确的设计选用离心泵十分重要。石油化工行业的某设计院在计算离心泵管嘴受力的实践中发现离心泵管嘴受力实际载荷即使为美国石油学会API610（American Petroleum Institute）标准中所给出的允许管嘴载荷的几倍乃至十倍时，仍然满足使用要求，正常运行。
在美国石油协会API610标准中，为保证泵体在受到动静载荷和管嘴法兰螺栓拧紧等外力和力矩时，泵与原动机的轴线保持一致，在联轴器处测得的任何方向的轴位移不得超过0.127mm(0.005in)，从而给出了管嘴上受载的最大允许值。本文中研究管嘴受载时造成的泵体变形对轴端即联轴器处的轴位移的影响。
本文首先用了Pro/E 建立了一台单级单吸悬臂式离心泵的三维模型，对之划分网格，并将之输出到分析软件Ansys中，施加约束，加上API610标准中的允许载荷和基于它的几种载荷工况，进行了有限元计算后经过分析，得出了一定的结论可供工程实际中参考，也验证了上面所说的工程实际情况。
2.几何及有限元模型的建立
2.1 模型简化
来自PTC公司的Pro/Engineer是一种建模功能强大的三维软件。本文中用它建立了离心泵的模型。
在泵组件的整体结构上，简化如下。轴上不考虑叶轮组件，及其对结构的影响；轴端联轴器处，不考虑联轴器及其对泵组件的影响；支撑处不考虑底座及其在各种操作工况下可能对泵组件产生的影响；进出口法兰处的各种载荷和法兰螺栓的拧紧力矩等泵组件以外零部件对泵的影响简化为加在泵上法兰面上的一组力和力矩的组合。
该泵的壳体（前盖、后盖、进出口法兰接管和进出口法兰）结构复杂，曲线曲面很多，各部分形状和尺寸相差很多，为避免简化带来过大的精度影响，所以建模时没有作太多简化。
泵组件中进行简化的零件有：轴，去除轴上的部分轴肩、轴环、止推轴颈及键槽，使轴成为一个只有四个不同轴径的阶梯轴；轴承，省略内圈、外圈、滚动体、保持架等细致结构将之看成为一个空心圆柱。所做模型如图1所示。
2.2划分单元
采用自由网格划分，局部加密。所用单元为10节点四面体实体单元。
3．约束与载荷分析
3.1 约束
泵壳的支撑方式通常分为中心线支撑及端部或底脚支撑等型式。单级或两级悬臂式离心泵一般只设对称的两点支撑。该泵为单级离心泵，是在两侧支撑台处将泵安放在基座上，并用两对螺栓固定。
根据泵的实际安装及支撑情况，进行化简，约束如下。在上图模型的坐标系（向下的为+Z轴，向左的为+X轴）中，在两侧支撑台的下底面，其Z向位移为0；在支撑台的四个螺栓孔内面，X向和Y向位移为0。
3.2 载荷分析
3.3简化载荷
泵主要是通过进出口上的法兰与其它部件如管道相连，其它部件给它的作用主要靠两法兰面间的螺栓连接来传递给泵体。根据实际的情况，载荷规则或不规则地分布在泵的进出口法兰面上。本文中，为了计算方便，在对载荷的分布进行充分考虑之后，将如上载荷，进一步简化，考虑为加在法兰面上的螺栓孔中心线位置。
以标准中所查的载荷为基准，分别加2倍、3倍直到10倍的基准载荷，计算分析，下面将介绍各种载荷工况及其结果。
4.计算结果
最终考查的是上图中所示的主轴右端处面的位移，下面所取得位移云图以及数值结果均为此处的。路径均取此轴端面外缘。 |
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