管道清洁器

作者: Mario Ruvalcaba,FMC Technologies公司的泵产品工程师,美国德克萨斯州

FMC Technologies不仅能将用于清洁污水管道的往复泵减重50%,还能缩小其尺寸,并增大压力输出。这将有助于研发出极具竞争力的产品。

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pump crankshaft stress

“FMC Technologies的工程师利用仿真可将往复泵的重量减轻50%。”

sewer pipe

污水管道经过长期使用后,会在管壁上积满尘垢和碎屑,进而缩小其内直径并制约废水排放量。在一场风暴之后,污水管道可能会被泥垢、石块、树枝、瓶子、罐子、塑料袋和其它天然与人造碎屑堵塞。使用高压水冲法进行日常维护是去除沉积物、保持管道畅通无阻的方法之一。

清洁人员经常使用配备大型水槽和高压泵的卡车来清除污水管道中的堵塞物。通常情况下,污水泵的压力范围在2,000磅/平方英寸到4,000磅/平方英寸之间。对于较大型污水管道,需要使用的压力较低但流量较高;而对于较小型管道,需要使用的压力较高但流量较小。高压(4,000磅/平方英寸)最适合用于去除根茎渗透,因为这么高压力的水能够将根茎从管道上切下来。

crankshaft fatigue simulation
使用ANSYS nCode DesignLife进行的曲轴疲劳分析

FMC Technologies专门设计和制造面向此类应用的往复泵。近年来,客户一直都在要求更小、更轻型的泵机,因为这样操作人员就不必在现场搬运沉重的设备。尺寸和重量的减小不仅能降低泵机的采购成本和维护难度,还能提高能效。但高压会给较小的组件施加更大的力,因此与较大的泵机组件相比,较小泵机的曲轴、活塞、连杆、轴承和泵壳体必须具备更大的强度。

一直以来,FMC Technologies的工程师都在使用ANSYS解决方案来进行海底石油钻机的设计,并取得了很大的成功,因此他们决定使用 ANSYS Mechanical来优化用于清理污水管道的往复泵的尺寸、重量、强度及使用寿命,而且不能缩短有效使用寿命或泵送效率。

往复泵的工作方式

往复泵是容积式泵家族的成员,其在曲轴的每一个冲程都排出固定大小的体积,工作方式类似于注射器。活塞上下移动。当活塞上移时,吸入液体,活塞下移时,排出液体。在往复泵中,每次曲轴下行时,活塞就移出,液体便会通过泵机的吸入口吸入。在曲轴完成一个完整周期时,它就会上行,推动活塞前移,并排出液体。活塞的数量与大小决定了每分钟能够泵送的加仑数。在业界,一般会使用三个或五个活塞。电机或柴油机来驱动曲轴并推动活塞来产生流动。

通过使用阀门或其它压力控制装置来限制下游流量,将泵的排水端压力增大到所需要的工作压力,如本例中的压力为4,000磅/平方英寸。为了提供足够的力量来冲走污水管中的沉积物,这样高的压力是十分必要的,但与此同时,它也会对泵的组件施加很高的应力。曲轴、活塞、连杆、轴承和壳体都要承受这种高载荷。因此需要一款理想的设计来确保组件在工作过程中不会破裂,从而最大限度地延长泵机的使用寿命。

“工程师使用ANSYS nCode DesignLife开展疲劳分析,以确保在疲劳方面具有鲁棒性的设计安全因素。”

仿真较小、较轻的泵机

为了设计出一款比标准245磅(111kg)污水管清洁泵更轻、同时还能把出口压力从3,000磅/平方英寸提高到4,000磅/平方英寸的泵产品,FMC Technologies的工程师对25个组件构成的完整泵系统进行了建模,重点放在曲轴部分。曲轴被建模成具有柔性结构行为的铸铁件,其网格中包含大约20万个单元;其余24个组件,如活塞、连杆、轴承和壳体,均被建模成刚体。模型中包含多个接头,部分具有固定行为,其余的则具有一或两个自由度。每个接头有一或两个坐标系。所施加的力和接头的旋转被用作边界条件。仿真的目标是得到一款鲁棒性设计,其最大应力要显著低于材料的屈服强度,以避免塑性变形。结果中的目标参数有总变形、最大等效应力、最大主应力和最大剪切应力。

pump crankshaft stress
ANSYS Workbench中显示的泵曲轴所承受的应力

 

因为曲轴运动具有循环转动的特性,而且在这个过程中其载荷会在最大值和最小值之间变化,所以工程师使用 ANSYS nCode DesignLife 对其进行疲劳分析,以确保在疲劳方面具有鲁棒性的设计安全因素。

original pump
以前的FMC高压污水管清洁泵的模型
new sewer cleaning pump
使用ANSYS仿真解决方案进行重新设计后的FMC新型高压污水管清洁泵的模型
 

仿真挑战

事实证明,对具有25个组件的复杂系统进行仿真是一项极具挑战性的任务。即便是把仿真的重点放在曲轴上,但是因为曲轴与所有其它组件相连,所以FMC Technologies的工程师并不能对它进行单独分析。此外,曲轴是一个动态应用:每次曲轴移动,其它各个组件的位置和角度也会随之改变,所以应力不尽相同。对这类动态应用需要进行动力学分析。在咨询过ANSYS的支持人员后,该团队决定对曲轴完整旋转一周的运动进行仿真,以解决这样的复杂性。为了解活塞上下移动的方式以及每个部件上的载荷变化情况,有必要进行动力学分析。

即便使用了这个策略,工程师仍然面临其它挑战。在运行第一次仿真时,分析并未像预期的那样收敛。通过改变部分仿真参数,其中包括过度约束模型的边界条件,分析确实完成了收敛,但是所计算出来的应力完全超出了范围,与手动计算的值相比过高,不符合实际情况。

其中的一个复杂因素就是链接所有组件的接头的数量过多。因为组件均处于运动之中,所以这些接头中的每一个都有其特定的自由度以及与组件其特定相位相关的自有坐标系。如果没有为某个组件选择正确的自由度,则会对装配体中其它部分的变量产生不利影响。

工程师与ANSYS支持团队密切协作,在一个月的时间里进行了很多次仿真迭代,并根据这些迭代的结果对模型做了系统性的调整,最终为往复泵找到了最佳的设计解决方案。如果采用传统的构建测试法进行设计,会需要很长的时间,相比而言,FMC Technologies通过使用ANSYS的解决方案节约了大量的时间与成本。

更优质、更具竞争力的泵机

最终的非线性瞬态结构分析使用ANSYS Mechanical 和 ANSYS nCode Design Life 在12核计算机上连续仿真了36个小时,并成功完成。借助仿真,FMC的工程师将往复泵的重量减轻了50%,从大约245磅(111kg)降到了大约130磅(59kg)。泵机的长度缩短了25%,而且压力也从3,000磅/平方英寸提高到4,000磅/平方英寸,因此其清洗污水管道的能力也显著提高。

新泵机内部的铸造合金曲轴长达12.75英寸,直径却仅为1.625英寸。尽管直径如此之小,却能在泵机的使用寿命内承受4,000磅/平方英寸的压力,这是一个相当了不起的成绩。之前的泵机有两个轴:一个小齿轮轴通过传动装置来驱动更大的曲轴。现在的单轴设计显著降低了泵机的尺寸和重量。

现在,FMC Technologies能为污水清洁行业提供一款重量更轻、能效更高而且又极具竞争力的泵机。FMC Technologies的工程师通过使用ANSYS工程仿真工具对每一个组件进行分析,以确保设计鲁棒性,从而充分满足当今污水管道清洁市场的严苛应用要求。

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