化工離心泵底座改進設(shè)計及研究*

尤 寶

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司,河南洛陽 471000)

化工離心泵底座改進設(shè)計及研究*

尤 寶

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司,河南洛陽 471000)

基于化工離心泵的設(shè)計標準,結(jié)合在實際的生產(chǎn)與裝配中出現(xiàn)的問題分析,優(yōu)化了化工離心泵底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)工藝,保證了最終生產(chǎn)底座的精度,同時兼顧整體裝配后的美觀,優(yōu)化后的底座更有利于整個化工離心泵底座的系列化設(shè)計。

化工離心泵;底座;設(shè)計與改進

0 引 言

在臥式離心泵的使用過程中,一般泵體一側(cè)與電機單獨安裝,最后通過中間聯(lián)軸器將三者安裝在一個共同的基礎(chǔ)平臺結(jié)構(gòu)之上,將這個承載平臺稱之為泵的安裝底座,它是化工離心泵的一個重要組成部件。實際的泵應(yīng)用過程中底座不但要保證泵與電機在靜態(tài)下的形狀、位置和尺寸精度,而且還要有足夠的支反力來抵抗泵在運行狀態(tài)下由扭矩與振動等外力引起的變形。目前我公司設(shè)計的泵主要為IH系列化工離心泵,軸向尺寸主要參照GB/T5662《軸向吸入離心泵(16bar標記、性能和尺寸》,底座的尺寸主要沿用GB/T5660《軸向吸入離心泵底座尺寸和安裝尺寸》進行設(shè)計,隨著泵產(chǎn)品的發(fā)展,國內(nèi)外泵企業(yè)逐漸淘汰現(xiàn)有的鑄造底座,改用焊接結(jié)構(gòu)泵底座。

1 傳統(tǒng)離心泵底座的利弊

傳統(tǒng)的泵底座一直沿用剛度較大的整體鑄件加工而成。如圖1,隨著泵行業(yè)的競爭壓力逐漸增大,傳統(tǒng)鑄造泵底座的劣勢逐漸顯現(xiàn):①化工離心泵單個系列下規(guī)格較多,需生產(chǎn)相應(yīng)數(shù)量底座模具,需投入較大成本;②鑄造過程用時較長,針對有特殊要求的客戶,需重新設(shè)計制造模具,所用時間會相應(yīng)增加;③鑄造底座用材較多,材料成本增加,同時鑄造底座外觀厚大笨重,影響整體產(chǎn)品外觀。鑄造底座優(yōu)點在于鑄件剛性較好,加工和安裝使用后尺寸穩(wěn)定性較好。

圖1 傳統(tǒng)鑄造底座

2 化工離心泵底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝優(yōu)化

隨著國內(nèi)離心泵整體性能、質(zhì)量的提高,為降低整泵的成本,縮短生產(chǎn)周期,提升產(chǎn)品整體美觀,對傳統(tǒng)泵底座的優(yōu)化設(shè)計是提升產(chǎn)品競爭力的一個重要途徑。為此有必要針對現(xiàn)有的IH化工離心泵底座進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 化工離心泵底座焊接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計及效果

根據(jù)GB/T5660《軸向吸入離心泵底座尺寸和安裝尺寸》的結(jié)構(gòu)尺寸,對IH化工離心泵首先進行了第一次底座結(jié)構(gòu)設(shè)計,底座采用整體焊接結(jié)構(gòu),由型鋼焊接,其中包括槽鋼、角鋼、鋼板以及鋼筋進行對接焊結(jié)構(gòu),材料采用Q235B材質(zhì),后期通過噴漆進行表面防腐處理,焊接底座安裝使用如圖2所示。

經(jīng)過設(shè)計后的型鋼底座,整體重量比原有鑄造底座重量下降50%左右,生產(chǎn)周期從原有鑄件鑄造平均15天左右,縮短到了2天左右,為后期底座的生產(chǎn)節(jié)省了大量時間。從2012年以來已廣泛應(yīng)用于化工離心泵的生產(chǎn)中,并將安裝該系列底座的泵應(yīng)用于實際的生產(chǎn)中。

2.2 使用過程中存在的問題及原因分析

由于化工離心泵底座是電機和泵的安裝平臺,對于底座的安裝面有較高的形狀、尺寸精度要求。安裝面的誤差會造成泵在裝配與使用過程中軸的對中性較差,造成機械密封發(fā)生泄漏,造成泵生產(chǎn)中斷,給安全生產(chǎn)帶來隱患。

經(jīng)過使用驗證,設(shè)計的焊接槽鋼底座在安裝與調(diào)試過程中,經(jīng)過跳動檢驗,發(fā)現(xiàn)焊接底座尺寸的穩(wěn)定性較差,在放置一段時間后會出現(xiàn)底座平面度超差,最大甚至達到了1.5 mm,遠遠超出設(shè)計要求的0.5 mm。使泵的運轉(zhuǎn)存在安全隱患同時還可能造成泵的密封的失效。

為更好的研究分析泵焊接底座的變形原因,結(jié)合泵的生產(chǎn)合同項目,針對生產(chǎn)的10套化工離心泵底座進行了提前生產(chǎn),完成后對底座進行尺寸與平面度進行了檢驗記錄,并在自然條件下放置3個月后,將泵的底座再次檢驗,底座的平面度均超差0.5～1.2 mm,只能在安裝前再次對安裝平面進行一次銑加工,來保證底座安裝平面的平面度。經(jīng)過對原因分析,底座的變形主要由于在焊接過程中型鋼焊縫存在焊接內(nèi)應(yīng)力,在長期自然環(huán)境下放置或使用過程中隨著應(yīng)力釋放,造成扭曲變形。為此針對底座采用消除應(yīng)力處理,制定了Q235B的回火工藝,設(shè)計溫度600℃,保溫時間5～6 h,熱處理后的底座見圖3,經(jīng)過后期的加工實驗,底座尺寸誤差目前基本穩(wěn)定。

圖2 裝有槽鋼底座的化工離心泵

圖3 熱處理后的槽鋼底座

焊接底座經(jīng)過熱處理后,泵與電機安裝到底座后發(fā)現(xiàn),在泵的運轉(zhuǎn)試驗安裝與吊裝過程中,泵運轉(zhuǎn)試驗時焊接底座與水泥基礎(chǔ)通過螺栓拉緊后均出現(xiàn)了底座安裝平面度超差問題。通過原因分析主要由于型材強度不夠所致,同時在焊接完成后對底座與基礎(chǔ)貼合面的校平度不夠,導(dǎo)致在底座安裝平面銑加工的過程中工裝壓緊后底座整體扭曲變形,為此需要在工藝實施過程中對焊接底座焊后首先進行校平,后續(xù)再進行底座的熱處理和機加工,要求校正后底面不平度≤0.5 mm,但通過多次試驗驗證,在實際的校正過程中該數(shù)值要求較高很難達到,最終校平后不平度一般為0.8～1 mm。其次,在泵在吊裝運輸過程中焊接底座也會出現(xiàn)的安裝平面超差變形,經(jīng)過原因分析,底座吊鉤是起吊的主要受力點,造成變形超差原因為結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理和所用型材的剛度不夠。

2.3 化工離心泵焊接底座優(yōu)化設(shè)計及工藝研究

為此設(shè)計第二代焊接底座,來提高整體焊接底座的剛度,通過合理結(jié)構(gòu)布局,使底座在使用過程中因為吊運、振動引起的變形得到改善甚至消除。通過不同型鋼的剛度對比,底座主體結(jié)構(gòu)采用方鋼要比槽鋼焊接后的剛度提高3倍以上,同時在設(shè)計過程中通過增加板材可以達到任意的安裝平面高度,有利于實現(xiàn)客戶對安裝高度的要求,為此以方鋼為基礎(chǔ),對焊接底座進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,逐一對焊接底座存在問題進行解決,優(yōu)化設(shè)計后的焊接底座減少了起吊吊鉤部件,將底座的地腳螺栓安裝位置設(shè)計為隱藏式,為底座的設(shè)計增添時尚感,讓底座與泵體安裝使用后更加美觀大方,同時在結(jié)構(gòu)上更有利于后期底座的系列化設(shè)計,圖4與圖5為設(shè)計及生產(chǎn)使用中的方鋼底座。

圖4 方鋼底座

圖5合同項目中應(yīng)用方鋼底座的離心泵機組

針對槽鋼底座與基礎(chǔ)貼合面校正難度大問題,對方鋼底座地腳螺栓連接孔位置與基礎(chǔ)貼合面處增加焊接了5 mm厚平鋼板,該設(shè)計首先增加了底座螺栓連接部位的強度,避免后期安裝地腳螺栓后受力導(dǎo)致底座變形超差,同時在加工過程中,對5 mm厚平板進行銑平,保證了底座上下面均進行了加工,以加工后的焊接底座與基礎(chǔ)貼合面為整個底座加工基礎(chǔ)面進行裝卡,經(jīng)實際生產(chǎn)驗證,保證了最終底座加工得到的安裝平面形位公差及尺寸精度滿足設(shè)計要求。

2.4 化工離心泵生產(chǎn)工藝的總結(jié)與固化

優(yōu)化后的底座生產(chǎn)工藝總結(jié)見表1。

表1 化工離心泵方鋼底座詳細生產(chǎn)工藝流程

經(jīng)過多年的生產(chǎn)與使用驗證,目前底座生產(chǎn)工藝基本已固化,產(chǎn)品精度和尺寸穩(wěn)定性、剛度均滿足生產(chǎn)需求。

3 結(jié) 論

(1)通過焊接底座的設(shè)計與制造,底座的生產(chǎn)周期較鑄造底座減少80%,成本下降20%左右,為生產(chǎn)實施節(jié)約了時間和成本。

(2)底座經(jīng)過多年的不斷設(shè)計與改進,目前在加工工藝上趨于成熟,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上已優(yōu)化完善。

(3)目前設(shè)計的方鋼泵底座已在合同中廣泛應(yīng)用,經(jīng)過生產(chǎn)安裝、客戶使用驗證,底座剛度滿足要求,運轉(zhuǎn)后底座尺寸精度穩(wěn)定。

[1]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計手冊[M].北京:中國宇航出版社,2011.

[2]朱利英.大型脫硫泵焊接底座改進[M].北京:中國石化出版社,2007.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

表2 小型刨床機構(gòu)優(yōu)化前后對比表

將優(yōu)化前后進行對比建立表2,從表2可以看出,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的小型刨床機構(gòu)由于q的減小,工作阻力減少,整個機構(gòu)的工作效率提高,驅(qū)動曲柄的電動機功率減少了30%。同時小型刨床機構(gòu)所占空間也減少了30%,優(yōu)化的效果是非常明顯的。

4 結(jié) 語

綜上所述,基于MATLAB優(yōu)化工具箱的機構(gòu)設(shè)計方法,在滿足使用要求,保證使用性能的前提下,與傳統(tǒng)設(shè)計方法比較,可以設(shè)計出體積較小,效率較高的小型刨床機構(gòu),同時也節(jié)省了設(shè)計時間、減小了設(shè)計難度,是對傳統(tǒng)設(shè)計的重大改進。所以說用MATLAB優(yōu)化工具箱求解機械機構(gòu)的優(yōu)化問題,是較為合理的選擇。

參考文獻:

[1]秦大同.機構(gòu)設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[2]李萬祥.工程優(yōu)化設(shè)計與MATLAB實現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[3]趙繼俊.優(yōu)化技術(shù)與MATLAB優(yōu)化工具箱[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[4]孫開元.常見機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用圖例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

Im proved Design and Research on the Pedestal of Chem ical Centrifugal Pump

YOU Bao
(Luoyang Sunrui Special Equipment Co.,Ltd,Luoyang Henan 471000,China)

Based on the design standard of chemical centrifugal pump,and combined with the problem analysis in the actual manufacturing and assembling process,the physical design andmanufacturing technique of the chemical centrifugal pump pedestal are optimized in this paper.Such optimization would ensure the accuracy of final produced pedestal,aswell as thewhole aesthetic assembly.The optimized pedestal ismore helpful to the serial design of the chemical centrifugal pump pedestal.

chemical centrifugal pump;pedestal;design and improvement

TH311

A

1007-4414(2015)06-0110-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.040

2015-08-30

尤 寶(1986-),男,甘肅武威人,助理工程師,研究方向:離心泵設(shè)計及研究。