作者:潘成蕓 溫德超 趙軍 冷紀(jì)桐

【關(guān)鍵詞】離心泵 管嘴受力 API610標(biāo)準(zhǔn) 有限元 泵體變形

【論文摘要】本文采用大型建模軟件Pro/E，建立國(guó)內(nèi)石化行業(yè)廣泛使用的離心泵的殼體模型。用分析軟件Ansys對(duì)幾種工況分別進(jìn)行有限元計(jì)算分析，對(duì)美國(guó)石油協(xié)會(huì)API610關(guān)于離心泵管嘴允許受力的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，得出了該載荷與控制值之間關(guān)系以及此載荷值放大倍數(shù)。
1.前言

泵在化工及石化行業(yè)中是一種較為常見又很重要的裝置。生產(chǎn)中合理正確的設(shè)計(jì)選用離心泵十分重要。石油化工行業(yè)的某設(shè)計(jì)院在計(jì)算離心泵管嘴受力的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)離心泵管嘴受力實(shí)際載荷即使為美國(guó)石油學(xué)會(huì)API610（American Petroleum Institute）標(biāo)準(zhǔn)中所給出的允許管嘴載荷的幾倍乃至十倍時(shí)，仍然滿足使用要求，正常運(yùn)行。

在美國(guó)石油協(xié)會(huì)API610標(biāo)準(zhǔn)中，為保證泵體在受到動(dòng)靜載荷和管嘴法蘭螺栓擰緊等外力和力矩時(shí)，泵與原動(dòng)機(jī)的軸線保持一致，在聯(lián)軸器處測(cè)得的任何方向的軸位移不得超過0.127mm（0.005in），從而給出了管嘴上受載的zui大允許值。本文中研究管嘴受載時(shí)造成的泵體變形對(duì)軸端即聯(lián)軸器處的軸位移的影響。

本文首先用了Pro/E 建立了一臺(tái)單級(jí)單吸懸臂式離心泵的三維模型，對(duì)之劃分網(wǎng)格，并將之輸出到分析軟件Ansys中，施加約束，加上API610標(biāo)準(zhǔn)中的允許載荷和基于它的幾種載荷工況，進(jìn)行了有限元計(jì)算后經(jīng)過分析，得出了一定的結(jié)論可供工程實(shí)際中參考，也驗(yàn)證了上面所說(shuō)的工程實(shí)際情況。

2.幾何及有限元模型的建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

來(lái)自PTC公司的Pro/Engineer是一種建模功能強(qiáng)大的三維軟件。本文中用它建立了離心泵的模型。

在泵組件的整體結(jié)構(gòu)上，簡(jiǎn)化如下。軸上不考慮葉輪組件，及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；軸端聯(lián)軸器處，不考慮聯(lián)軸器及其對(duì)泵組件的影響；支撐處不考慮底座及其在各種操作工況下可能對(duì)泵組件產(chǎn)生的影響；進(jìn)出口法蘭處的各種載荷和法蘭螺栓的擰緊力矩等泵組件以外零部件對(duì)泵的影響簡(jiǎn)化為加在泵上法蘭面上的一組力和力矩的組合。

該泵的殼體（前蓋、后蓋、進(jìn)出口法蘭接管和進(jìn)出口法蘭）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲線曲面很多，各部分形狀和尺寸相差很多，為避免簡(jiǎn)化帶來(lái)過大的精度影響，所以建模時(shí)沒有作太多簡(jiǎn)化。

泵組件中進(jìn)行簡(jiǎn)化的零件有：軸，去除軸上的部分軸肩、軸環(huán)、止推軸頸及鍵槽，使軸成為一個(gè)只有四個(gè)不同軸徑的階梯軸；軸承，省略內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架等細(xì)致結(jié)構(gòu)將之看成為一個(gè)空心圓柱。所做模型如圖1所示。

2.2劃分單元

采用自由網(wǎng)格劃分，局部加密。所用單元為10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元。

3．約束與載荷分析

3.1 約束

泵殼的支撐方式通常分為中心線支撐及端部或底腳支撐等型式。單級(jí)或兩級(jí)懸臂式離心泵一般只設(shè)對(duì)稱的兩點(diǎn)支撐。該泵為單級(jí)離心泵，是在兩側(cè)支撐臺(tái)處將泵安放在基座上，并用兩對(duì)螺栓固定。

根據(jù)泵的實(shí)際安裝及支撐情況，進(jìn)行化簡(jiǎn)，約束如下。在上圖模型的坐標(biāo)系（向下的為+Z軸，向左的為+X軸）中，在兩側(cè)支撐臺(tái)的下底面，其Z向位移為0；在支撐臺(tái)的四個(gè)螺栓孔內(nèi)面，X向和Y向位移為0。

3.2 載荷分析

3.3簡(jiǎn)化載荷

泵主要是通過進(jìn)出口上的法蘭與其它部件如管道相連，其它部件給它的作用主要靠?jī)煞ㄌm面間的螺栓連接來(lái)傳遞給泵體。根據(jù)實(shí)際的情況，載荷規(guī)則或不規(guī)則地分布在泵的進(jìn)出口法蘭面上。本文中，為了計(jì)算方便，在對(duì)載荷的分布進(jìn)行充分考慮之后，將如上載荷，進(jìn)一步簡(jiǎn)化，考慮為加在法蘭面上的螺栓孔中心線位置。

以標(biāo)準(zhǔn)中所查的載荷為基準(zhǔn)，分別加2倍、3倍直到10倍的基準(zhǔn)載荷，計(jì)算分析，下面將介紹各種載荷工況及其結(jié)果。

4.計(jì)算結(jié)果

zui終考查的是上圖中所示的主軸右端處面的位移，下面所取得位移云圖以及數(shù)值結(jié)果均為此處的.路徑均取此軸端面外緣。