摘要：以某PTARPF鼓风机为例，分析和研究离心鼓风机机壳的强度及其变形。采用有限元法对焊接机壳进行分析，从而得到鼓风机机壳的受力情况和在外载荷作用下机壳变形，并重点分析了机械密封联接法兰处的轴向变形量，为改进设计提供了可靠的理论依据。
关键词：PTA；离心式鼓风机；焊接机壳；强度；优化设计
离心鼓风机机壳一般用灰铸铁或铸钢制成，然而实际生产中发现，机壳铸造成形，制造周期长，用料多，成本高，尤其是特殊材料铸造更加难以控制。我院为某厂PTA装置RPF系统供应鼓风机，由于交货期紧及特殊介质输送，要求不锈钢机壳铸造等因素，项目组决定采用焊接机壳，不仅缩短了制造周期，同时还节省了铸模费用，降低了成本。
本文以我院设计生产的PTA项目用RPF系统循环鼓风机焊接机壳为例，建立焊接机壳的力学及有限元模型，对焊接机壳的应力分布及其变形进行研究和分析，并重点研究了机械密封联接法兰处的轴向变形，使其满足机械密封的安装使用要求。通过计算分析，提出合理化建议，以便提高设计水平和设计效率，缩短开发周期。
1机壳结构尺寸计算
在设计和计算鼓风机机壳时，首先必须根据工作性能、强度和密封要求以及工艺性能来选定初步结构尺寸，然后再根据已初步确定的结构尺寸进行详细的应力计算和强度校核，再作最后结构尺寸的修改定型。
1.1工程背景
某厂RPF鼓风机为单级悬臂结构，轴封采用双端面机械密封，进气压力0.45MPa(a)，出气压力为0.50MPa(a)。根据气动计算蜗壳型线为R500～R550弧线渐近相切组成。材质为304SS，屈服极限205MPa。
1.2机壳壁厚计算
根据第四强度理论，为使材料不致破坏，则要求：
其中[σ]是材料的许用应力；σ1、σ2、σ3是三个相互垂直主方向上的主应力。
机壳外半径r2，内半径r1。当
时，作为近似分析，可将机壳看作承压的薄圆筒，则上述各主应力可表示为：
将σ1、σ2、σ3代入式（1）并整理得：
式中：D为机壳内直径；C为机壳厚度的最大允许公差；Δp为机壳设计最大承受压差；[σ]为材料许用应力，取[σ]≤0.5σs。
1.3机壳初步结构
由上两节初步得到机壳尺寸，机壳结构设计的重点一方面是机壳选材能否满足强度要求；另一方面是机封联接板的变形是否在允许范围内。
2机壳模型的建立
2.1有限元模型的建立
以二维设计图纸为基础，采用三维实体建模软件建立三维实体模型。由于本次分析主要是针对机壳的结构特性，研究整体机壳的变形及应力分布特点，所以在建模过程中，对焊缝的影响不做细致考虑，认为焊缝处材料及强度与机壳母材情况相同，即在不影响全局计算结果的情况下，对一些局部细微结构进行合理简化，以便有效地提高计算速度。在实体模型的基础上得到有限元网格模型，共计56293个单元。
2.2约束与载荷
根据本机组的实际情况，在机壳后侧板与共用底座的焊位处的节点施加为固定约束，机壳所受到的载荷主要为机壳介质的压力。
3结果与分析
3.1机壳强度分析。一般情况下机壳需承受工作压力1.5倍的试水压力，在对其进行强度分析时，其主要载荷为介质对壳体的压力，在计算时，对机壳内壁设置为内外的压差即可，本计算的最大压差为0.6MPa，机壳的等效vonMises应力云图最大应力出现在蜗舌处，约为240.32MPa。一方面此值已经超出了304不锈钢的屈服极限，另一方面机械密封联接法兰的轴向平均变形为0.338mm，远超出了机械密封对安装位置的要求。
3.2机壳结构优化。通过上节的计算分析可知，机壳结构不能满足使用要求，需要对机壳结构进行改进和优化，主要措施是在机壳上布置筋板，前盖板布置为辐射状的筋板，机壳后侧板布置为水平和竖直交错的筋板。
一般情况下机壳筋板的布置依靠经验，对筋板的实际效果并不十分清楚，本节将探讨不同的筋板方案的效果，以期找到较优的布置方案。实施方案见表1。
对表1各方案建立三维模型，模拟水压实验机壳的应力分布及变形，轴向变形量以前盖板指向后侧板方向为正。由于机壳沿圆周的非对称性，机封联接板的变形为倾斜状态，即联接板安装面上的最大和最小的变形量不一致，将造成机械密封运行时的垂直度变差，因此将重点分析机封联接板安装面上的轴向最大变形量和轴向最小变形量，即重点考察对垂直度的影响。
各方案结果见表2，由表2结果可知，不同的筋板布置方案其效果是不同的，最大等效Von Mises应力及机械密封联接法兰处的轴向变形量均有明显的不同。从应力来看，Jike-04方案的等效Von Mises应力最小，但是其机械密封联接法兰的轴向变形量造成的垂直度劣化达到0.21mm，无法满足机械密封的运转要求。
Jike-02、Jike-05、Jike-06方案均能满足机壳强度和机械密封联接法兰的轴向变形量的要求，但是Jike-06方案的机械密封联接法兰的轴向变形量造成的垂直度劣化最下，同时该方案的机壳用料最少，因此，首选Jike-06方案。
4结论
本文主要分析了离心鼓风机焊接机壳的强度和机械密封联接法兰的轴向变形，分析计算的结果为设计工作提供了理论依据。结果表明：
1）机壳筋板的布置方案对机壳强度和机械密封联接法兰的轴向变形均有明显的影响，尤其是对机械密封联接法兰轴向变形的影响更为明显，本文所述的方案中相差超过3倍；
2）针对配置机械密封的焊接鼓风机尤为注意，机壳筋板布置不合理将是导致机械密封失效的主要原因；
3）在今后的设计过程中要根据现有的分析数据选择合理的方案，实现鼓风机机壳的优化设计。
参考文献
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论文作者:杜鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：机壳论文; 鼓风机论文; 应力论文; 机械论文; 法兰论文; 强度论文; 轴向论文; 《基层建设》2018年第26期论文;