冉春燕，王國(guó)志，鄧　斌，于蘭英，周萬(wàn)陽(yáng)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

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水清洗裝備的真空引水罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冉春燕，王國(guó)志，鄧斌，于蘭英，周萬(wàn)陽(yáng)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

為保證處于高位的水泵工作過(guò)程中正常吸水作業(yè)，水清洗車采用了真空引水罐結(jié)構(gòu)。針對(duì)水清洗車工作條件和空間，設(shè)計(jì)了具有內(nèi)部支架的真空引水罐，以減少鋼板的變形。按照強(qiáng)度條件計(jì)算水箱的尺寸和加強(qiáng)筋的尺寸，并以真空罐的穩(wěn)定性為原則，設(shè)計(jì)吸水管的直徑。然后利用ANSYS Workbench軟件對(duì)水箱在最大真空狀態(tài)下的受力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該水箱的結(jié)構(gòu)在最大真空狀態(tài)下是安全的，說(shuō)明設(shè)計(jì)是合理的。基于通用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent的VOF( volume of fluid) 模型，RNGK-ε湍流模型，模擬計(jì)算真空罐的整個(gè)吸水過(guò)程，得到真空罐工作過(guò)程的各階段水相的變化、內(nèi)部壓強(qiáng)的變化和吸水管的受力變化。模擬了不同吸水管直徑的真空罐工作狀態(tài)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，說(shuō)明吸水管直徑的設(shè)計(jì)是合理的。

真空引水罐水沖洗自灌式VOF數(shù)值模擬

0　引言

在各種清洗系統(tǒng)中，常常使用離心泵來(lái)增大清洗水的壓力。對(duì)于離心泵的安裝位置高于供水系統(tǒng)的低水位情況，傳統(tǒng)的解決方法是使用無(wú)底閥等方式進(jìn)行引水，而這些方法都存在一定的缺點(diǎn)，如阻力損失大、易堵塞、易漏水、每次泵啟動(dòng)需人工灌水等。采用真空引水罐進(jìn)行引水啟動(dòng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能避免出現(xiàn)傳統(tǒng)無(wú)底閥等引水方式出現(xiàn)的問(wèn)題，啟動(dòng)時(shí)無(wú)需人工灌水，在生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

高永等[1]提出真空引水罐結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論計(jì)算方法。管曉濤等[2]提出在清洗系統(tǒng)中引入真空引水罐裝置，改善泵的性能和吸水的效率，初步計(jì)算了真空罐的參數(shù)。徐善春等[3]提出真空罐參數(shù)的理論設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)有關(guān)于真空引水罐的設(shè)計(jì)研究較少，且停留在理論計(jì)算階段，對(duì)其合理性的驗(yàn)證具有局限性。而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力。

本文根據(jù)強(qiáng)度理論和水清洗車的工作情況設(shè)計(jì)計(jì)算真空水罐的結(jié)構(gòu)。使用SolidWorks軟件建立仿真模型，使用ANSYS Workbench軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。使用ANSYS FLUENT模擬真空罐的工作過(guò)程，驗(yàn)證吸水管直徑的合理性。

1　真空引水罐

真空引水罐的使用十分廣泛，如用于地鐵水沖洗系統(tǒng)、道路水沖洗系統(tǒng)和變電站水清洗系統(tǒng)等，并且在很多抽水泵站中也投入了使用。

圖1　真空引水罐引水示意圖

如果在清洗系統(tǒng)中出現(xiàn)離心水泵吸水口高于儲(chǔ)水罐最低水位的情況，就采用真空引水罐，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)的真空引水罐基本是圓形的。但是在水沖洗車中，由于空間位置的限制和為了便于安裝，引水罐的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體。由于真空罐體積較大，還設(shè)置了人孔、內(nèi)人梯和外人梯，方便進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行清洗。為了保證真空罐的使用效果，安裝排氣孔。

水泵工作時(shí)，引水罐會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，在水箱內(nèi)部加支撐架來(lái)減少鋼板的變形量。使用前真空罐內(nèi)須加滿水。當(dāng)罐內(nèi)的水被離心泵吸出，罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓(真空) 后，由于大氣壓的作用，儲(chǔ)水罐內(nèi)的水通過(guò)吸水管進(jìn)入真空罐，實(shí)現(xiàn)給泵源源不斷地供水。

2　真空引水罐容積

圖1中，h為真空引水罐到吸水底的距離，其中h=2 m。

水泵采用真空罐抽水裝置的抽水過(guò)程，實(shí)際上就是能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程。在水泵與大水箱之間，即在吸水管上安裝一個(gè)密閉的水箱(即真空罐)。水泵初次啟動(dòng)前，使罐內(nèi)充滿水，即使真空罐的水面到達(dá)圖2中截面2-2，同時(shí)泵腔內(nèi)也充滿水。水泵啟動(dòng)后，罐內(nèi)水被水泵排走，隨著水位下降，真空罐內(nèi)逐漸形成真空，當(dāng)真空度增加到足以克服吸水高度和沿程阻力時(shí)，水箱的水沿吸水管連續(xù)被吸入罐內(nèi)，并不斷被水泵排出，如水泵連續(xù)運(yùn)行，罐內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)平衡水面，即罐內(nèi)水位保持在一定平衡水面上，如圖3中的截面4-4；水泵停止時(shí)，排水管的水經(jīng)泵體流回罐內(nèi)，使泵腔和罐內(nèi)重新充滿水，為下次啟動(dòng)作好了準(zhǔn)備。

水泵是丹麥格蘭富的CR45-10-2，流量為40 m3/h。水箱的吸水高度定為2 m。為了保持水箱的平穩(wěn)，吸水管的速度不宜過(guò)大，故吸水管的吸水速度暫定為1 m/s。根據(jù)流量與流速可以初步估計(jì)管徑為d=126 mm，根據(jù)水沖洗車的空間結(jié)構(gòu)，確定吸水管的長(zhǎng)度為10 m。工作水溫為20 ℃，泵的氣化壓力為0.24 m。水泵的最小進(jìn)口壓力NPSH為2 m。

真空罐在泵啟動(dòng)后的真空壓力[4-5]：

(1)

式中：H—吸水垂直高度，m；i—吸水管沿程坡降，查表得0.014 5m/m；v2/2g—吸水側(cè)水頭，m；L—吸水管長(zhǎng)度，m；ξ—局部阻力系數(shù)，1.18。

計(jì)算得，Pk=2.26mH2O，工作時(shí)，真空罐內(nèi)的壓力為P2=7.94mH2O，即大于水泵的最小入口壓力，則水泵不會(huì)發(fā)生汽蝕，該真空水罐的設(shè)計(jì)是合理的。

真空引水罐的容積[6]：

V=V1+V2+V3

(2)

文耳-馬略特定律：

P(V4+V1)=P2(V1+V2)

(3)

式中：V—真空引水罐的容積；V1—真空罐灌滿水時(shí)空氣的體積；V2—罐內(nèi)的壓強(qiáng)由P降到P1時(shí)兩液面之間的體積；V3—保護(hù)容積，罐底到高于離心泵工作時(shí)液面的位置的容積；V4—吸水管的容積。

計(jì)算得：V1=0.163m3；V2=0.307 4m3；V3=0.5m3；V4=0.124 6m3。

帶入公式(2)中，可得水罐的設(shè)計(jì)容積為V=0.970 4m3，即引水罐的最小容積。在實(shí)際使用中，引水罐的容積越大越好，但是也不能過(guò)大，否則會(huì)給引水罐的制作和安裝帶來(lái)難度。水罐的容積決不允許小于設(shè)計(jì)容積，以保證其吸水能力，故取引水罐的容積為1m3。

3　關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般的真空罐都是圓形的。圓形的水罐占據(jù)的空間位置大，不便安裝，所以選用矩形的真空引水罐。矩形真空罐能很好的利用空間，并且方便制造。由于水罐在工作的情況下是處于負(fù)壓的狀態(tài)，為保證罐體最小的變形量，在水罐的內(nèi)部增加支撐結(jié)構(gòu)。

鋼板和支架角鋼的材料由于要和水接觸，故均為不銹鋼304。水箱外部鋼板的焊縫必須保證引水罐的氣密性。

真空罐的容積為1 m3，故取真空罐為正方體水罐，長(zhǎng)寬高分別為1 m。

真空引水罐內(nèi)的真空度為0.022 148 Pa，設(shè)計(jì)壓力取最大工作壓力的1.25倍，即設(shè)計(jì)壓力為0.027 685 MPa。

3.1側(cè)板

水罐具有滿水和真空度最大兩種極限狀態(tài)。在最大真空狀態(tài)時(shí)，引水罐中的水位于4-4的位置，如圖2、3所示。則其受力最大的部分為上部無(wú)水區(qū)域。由于水罐內(nèi)形成負(fù)壓，則整體是外壓，水箱壁面的受力最大為q=27.685 kN/m2。只要真空罐在最大真空度的時(shí)候滿足強(qiáng)度理論，那么該水罐在任何工況下都滿足要求。

為了保證水質(zhì)，水罐整體都采用304不銹鋼板。按強(qiáng)度公式來(lái)計(jì)算鋼板的厚度[7]：

(4)

式中：b—鋼板短邊的長(zhǎng)度，mm；K1—系數(shù)，取決于板的支撐情況及長(zhǎng)短邊的比值，此處取0.307 8；P—板上單位載荷，0.027 685MPa；[σ]—鋼板的許用應(yīng)力，137MPa。

計(jì)算得，側(cè)板的厚度為δ1=7.88mm，圓整8mm。頂板由于有人孔的設(shè)計(jì)和供行人行走，為了安全，取10mm。底板要承受水箱自身的重量和水的重量，計(jì)算底板厚度為δ2=10mm。加強(qiáng)筋的最長(zhǎng)距離計(jì)算為L(zhǎng)0=0.3m，考慮到水箱的整體尺寸取0.25m。即每邊添加三根加強(qiáng)筋。

按照強(qiáng)度計(jì)算加強(qiáng)筋的截面模數(shù)為：[8]

(5)

式中：M—加強(qiáng)筋上的彎矩；[σ]—304鋼的許用應(yīng)力，137MPa。

經(jīng)計(jì)算加強(qiáng)筋的截面模數(shù)為：4.688×10-6m3

選擇5號(hào)角鋼，其截面模數(shù)為：4.863×10-6m3。

3.2支撐

水箱的總質(zhì)量估計(jì)為G=300kg，用3根1m長(zhǎng)的工字鋼作為承重支撐，即每米角鋼的單位受力為q=4.5×103N/m，工字鋼的材料為Q235A，許用應(yīng)力為113MPa。

選擇10號(hào)工字鋼的截面模數(shù)為W=4.9×10-5m3，滿足支撐要求。

3.3內(nèi)部支架結(jié)構(gòu)

圖4　引水罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由于真空引水罐受到負(fù)壓的影響，則大氣壓對(duì)水罐的鋼板有一個(gè)向內(nèi)的壓力，為了保證鋼板的變形量在允許范圍內(nèi)，將支撐架放在引水罐的內(nèi)部。由于真空罐頂部加有人孔，在人孔附近添加加強(qiáng)筋，以減小頂板的變形量和應(yīng)力。引水罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4吸水管直徑的計(jì)算

在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，若吸水管直徑設(shè)計(jì)不合理，當(dāng)開(kāi)口水箱水不足的時(shí)候，真空水箱和吸水管將發(fā)生振動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

當(dāng)真空罐的吸水和出水達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)時(shí)，罐內(nèi)的壓強(qiáng)P2=79 177Pa，空氣的體積為V2=0.368m3，此時(shí)罐內(nèi)的空氣密度為ρ2=0.957 4kg/m3。泵的體積流為qv1=0.011 1m3/s，為了保持罐內(nèi)空氣的壓力不變，根據(jù)氣體的狀態(tài)方程：

PV=mRgT

(6)

式中：P—?dú)怏w的絕對(duì)壓力，Pa；V—?dú)怏w的容積，m3；T—?dú)怏w的熱力學(xué)溫度，K；Rg—?dú)怏w常數(shù)，與氣體種類有關(guān)，而與氣體的狀態(tài)無(wú)關(guān)，J/(kg·K)。

可以得出：

P=ρRgT

將真空罐的整個(gè)工作過(guò)程看作恒溫過(guò)程，Rg只與氣體種類有關(guān)，而與氣體的狀態(tài)無(wú)關(guān)，所以只要保證氣體的密度不變，則壓力就不變。故可知空氣的體積流qv2=0.008 68m3/s。

由q=v·A，計(jì)算得d=74.35mm。

q—流量m3/s；v—空氣的流速，根據(jù)管道的入口和出口的壓力差，定為2m/s；A—吸水管的截面面積。

則吸水管的理論直徑為80 mm。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為了減小沿程損失，吸水管直徑可以盡量的大。

真空罐的出口與水泵相連接，根據(jù)水泵的尺寸可知，出水管的直徑為80 mm。

4　數(shù)值模擬分析

4.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

使用ANSYS Workbench軟件對(duì)真空引水罐在最大真空狀態(tài)下的靜態(tài)情況進(jìn)行分析。

材料為304不銹鋼，固定支撐工字鋼，壓力27 685 Pa，對(duì)真空引水罐劃分網(wǎng)格，然后運(yùn)行，查看水罐的應(yīng)力狀況和變形狀況。應(yīng)力及位移結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，真空水箱的最大應(yīng)力為153.27 MPa，最大應(yīng)力集中在側(cè)面的角鋼加強(qiáng)筋上，304不銹鋼的屈服應(yīng)力為205 MPa，所以水罐在最大真空狀態(tài)下是安全的。

圖5　應(yīng)力結(jié)果　　　　　圖6　內(nèi)部支架應(yīng)力

圖7　變形結(jié)果　　　　　圖8　內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形

4.2工作過(guò)程的穩(wěn)定性分析

4.2.1模型的建立及參數(shù)設(shè)置

簡(jiǎn)化模型，建立真空水箱工作的物理模型，吸水管的高度為2.26 m。用SolidWorks建立流域模型如圖9。

使用ICEM對(duì)流域進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖10。

采用兩相流界面追蹤流體體積方法(VOF)模擬計(jì)算真空罐抽水的過(guò)程。

模擬真實(shí)情況，對(duì)真空罐內(nèi)的水域進(jìn)行初始化，結(jié)果如圖11所示，紅色的為水相。設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s。設(shè)置三個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，分別監(jiān)控真空罐內(nèi)的壓力、真空罐內(nèi)的水位高度和吸水管的平均受力。

4.2.2結(jié)果及分析

整個(gè)工作過(guò)程的模擬時(shí)間為25 s，第一階段水泵啟動(dòng)至真空罐內(nèi)形成穩(wěn)定的負(fù)壓；第二階段開(kāi)口水箱的水用完；第三個(gè)階段真空罐開(kāi)始吸入空氣。圖12是吸水管直徑為126 mm的真空罐系統(tǒng)工作的幾個(gè)不同階段的水相分布云圖。

圖12　不同時(shí)間的水相分布圖

改變吸水管直徑的大小，對(duì)模型進(jìn)行仿真運(yùn)行，檢測(cè)真空水罐內(nèi)的壓強(qiáng)和吸水管受到的平均壓力。設(shè)置吸水管的直徑分別取40 mm、80 mm、100 mm、126 mm。當(dāng)吸水管直徑為40 mm時(shí)，運(yùn)行到7 s時(shí)就自動(dòng)發(fā)散，真空罐壓強(qiáng)變化非常大，吸水管受到的力也很大，引起模型的發(fā)散，所以吸水管的直徑不能太小，否則，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的使用影響會(huì)非常大，還會(huì)影響泵的使用壽命。

圖13、圖14是監(jiān)測(cè)真空罐內(nèi)氣體的總壓和吸水管壁面平均受力變化圖。所有的壓強(qiáng)以大氣壓為基準(zhǔn)，故壓強(qiáng)是負(fù)的。

由圖13可以看出，吸水管直徑為80 mm和100 mm時(shí)，真空罐內(nèi)的負(fù)壓先達(dá)到最大值，負(fù)壓為23 kPa，符合理論計(jì)算值，說(shuō)明該計(jì)算模型是正確的。在10 s以后開(kāi)口水箱內(nèi)的水被吸完開(kāi)始吸入空氣。此時(shí)，由圖13、14可以看出當(dāng)吸水管直徑為80 mm時(shí)真空罐內(nèi)的負(fù)壓較小，而且壓強(qiáng)變化小，吸水管壁面受到的壓力較??；吸水管直徑為126 mm時(shí)，真空罐內(nèi)的壓強(qiáng)變化幅度相對(duì)大一些，整體負(fù)壓較大，吸水管的壁面受力大，波動(dòng)幅度也大，造成吸水管的抖動(dòng)比較厲害，會(huì)影響吸水管的使用壽命。綜上所述，可知當(dāng)吸水管的直徑為80 mm時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)較好。

5　結(jié)論

本文對(duì)水清洗車的真空引水罐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析，滿足水沖洗車的水泵工作要求，為同類型結(jié)構(gòu)的真空引水罐設(shè)計(jì)提供了參考。

1)根據(jù)泵的工作環(huán)境和條件計(jì)算出真空罐的最小容積為 1 m3。

2)設(shè)計(jì)計(jì)算真空水罐的整體結(jié)構(gòu)和基本尺寸。真空罐的側(cè)板厚度為8 mm，底板和頂板為10 mm。選用5號(hào)角鋼作為加強(qiáng)筋，10號(hào)工字鋼作為底部支撐結(jié)構(gòu)。

3)使用ANSYS Workbench軟件對(duì)引水罐在最大真空狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行分析。真空罐的最大變形量位于側(cè)板上，為0.54 mm，最大應(yīng)力在側(cè)板的加強(qiáng)筋上為153.27 MPa。結(jié)果表明真空罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

4)經(jīng)過(guò)對(duì)比分析得出，真空水罐的吸水管直徑不宜過(guò)大或者過(guò)小，否則真空水罐的吸水管都將發(fā)生振動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1]高永, 候衛(wèi). 離心水泵真空罐引水吸程和罐體容積的計(jì)算[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2002(4)：6-7.

[2]管曉濤, 廖達(dá)衛(wèi), 管曉琴. 頂吸式真空引水罐的改造設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2007, 32(1):64-66.

[3]徐善春. 真空引水罐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 糧食與食品工業(yè), 2014, 21(1) : 75-76.

[4]杜增耀, 劉永亮.無(wú)底閥水泵負(fù)壓引水罐容積的確定[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2006, 32(8):77-78.

[5]陳旺平.真空引水罐罐體容積和安裝高度的計(jì)算[J]. 有色冶金設(shè)計(jì)與研究, 2013, 34(3) : 82-84.

[6]王殿平, 陳靜媛.真空引水罐參數(shù)確定[J]. 煤礦機(jī)械, 2005, 22(8) : 22-24.

[7]王政寬. 鋼制矩形容器壁板的計(jì)算[J]. 石油化工設(shè)備, 1988, 17(2) : 15-19.

[8]單帝強(qiáng), 列汝樞. 長(zhǎng)方體臥式真空罐強(qiáng)度計(jì)算[J]. 真空, 2005, 42(4):56-61.

Structure design of the vacuum tank of the rinsing equipment

RAN Chunyan,WANG Guozhi,DENG Bin, YU Lanying, ZHOU Wanyang

To ensure the pump at high position work normally, a vacuum tank has been applied to the rinsing vehicle. We designed the structure of the vacuum tank for the specific working conditions and space of the rinsing vehicle. We added an internal frame inside the tank to reduce the deformation of steel, calculated the size of the tank and the reinforcing ribs based on the strength requirements, and determined the diameter of the suction pipe based on the stability requirements of the tank. We analyzed the stress on the tank at maximum vacuum state using ANSYS workbench, and the result showed that the tank was safe at maximum vacuum state. We simulated the water suction process of the tank using VOF model and RNG turbulence model of Fluent, and obtained the changes of water phases, internal pressure and stress on the pipe during the water suction process. We also simulated the working state of the tank with different suction pipe diameters, and compared the results to prove that the design of the tank was reasonable.

vacuum tank，rinse，self-filling，VOF，numerical simulation

TH122；TH311

B

1002-6886(2016)04-0023-05

冉春燕(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)。

王國(guó)志(1969-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)。

2014-12-25