大型隔膜泵十字頭滑板與導板的熱力耦合分析

（中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司設計研究所，遼寧沈陽 110141）

1.概述

隔膜泵是長距離管道化輸送固液兩相介質的核心設備。隔膜泵中曲柄連桿機構的作用是把原動機的旋轉運動轉化為活塞的往復運動，同時把原動機的機械能傳給所輸送的液體。連桿與十字頭通過銷軸軸承連接支撐，按偏心距推動十字頭、介桿、活塞桿做往復直線運動。十字頭在導板中滑動，需要充足的冷卻潤滑液保證十字頭良好工作【1】，其滑板與導板相互摩擦，產生熱量，使滑板、導板表面溫度升高。若滑板溫度升高過快，會引起十字頭與滑板的材質結構變化，從而引起擦傷的出現(xiàn) [2～6]。因此，對十字頭滑板與導板的摩擦過程進行熱力耦合的研究顯得十分重要。

由于接觸表面的最高溫度在接觸處瞬時形成的閃現(xiàn)溫升,接觸位置又時刻發(fā)生變化,因此,依靠傳統(tǒng)的解析方法很難得到精確的溫度場分布，而采用有限元法卻能夠有效地解決溫度場的計算問題[7]。本文利用大型有限元軟件 ADINA，分析十字頭運動過程中，滑板與導板受摩擦熱和力場的耦合作用下，接觸區(qū)域的局部溫度變化及應力變化等特性。

2 熱分析的基本假設

由于十字頭裝配的結構和受力均對稱，所以采用一半模型進行分析。建立如圖1 所示的承受120T 活塞力的十字頭裝配三維模型，對十字頭裝配在多體動力學分析的基礎上進行熱力耦合分析。

分析過程中，為了使問題易于處理，但不失去其意義，做出以下假設：

(1)忽略泄漏所帶走的摩擦熱；

(2)無輻射散熱，接合過程中產生的熱量全部用于滑板、導板溫升。

(3)導熱過程僅與時間有關，不考慮溫升等因素導致的材料導熱系數(shù)變化的影響。

(4)十字頭的運動通過簡化為beam 單元的曲軸、連桿、銷軸的運動轉化。

3 有限元建模分析

3.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

十字頭、滑板、導板與左中右導板座采用3-D Solid 單元，曲柄、連桿和銷軸采用Beam 單元，滑板下表面與導板上表面采用3-D 接觸類型。設置環(huán)境溫度為20。設置TMC 分析時，選擇雙向耦合 [8]。對十字頭、左、中、右導板座進行四面體網(wǎng)格劃分，單元大小為25mm，共劃分6065 個節(jié)點，23534 個單元；對下滑板、導板進行六面體網(wǎng)格劃分，單元大小為30mm，共劃分3690 個節(jié)點，2240 個單元。劃分后的模型如圖2 所示。

3.2 邊界條件

圖1 十字頭裝配模型示意圖

圖2 十字頭運動有限元模型

圖3 十字頭運動有限元邊界條件

圖4 滑板上一個節(jié)點的溫度-時間歷程曲線

圖5 滑板與導板溫度分布云圖

圖6 滑板與導板應力分布云圖

十字頭運動摩擦生熱分析的邊界條件為：導板座與下導板之間通過共節(jié)點綁定，下滑板與十字頭之間通過共節(jié)點綁定，下滑板與下導板之間做面-面接觸對。對十字頭裝配體的對稱面施加對稱約束，左、中、右導板座底部進行全約束；去程十字頭左端面施加活塞力 的，回程施加活塞力 ；對曲柄銷施加轉動速度 ，曲柄銷、連桿和銷軸之間通過約束方程作用，銷軸的端點通過剛性連接對十字頭孔作用，十字頭運動摩擦生熱的有限元模型邊界條件如圖3 所示。

4 計算結果與分析

滑板與導板的滑動摩擦過程中,由于摩擦的非線性接觸,因此施加的載荷需要用較小的時間步和精確的加載歷程，對其進行運行2 轉的分析。

圖4 是滑板上某個節(jié)點的溫度-時間歷程曲線，由圖4 可知，在去程時溫度逐漸上升，回程時溫度幾乎保持不變；圖5、圖6 是曲柄銷運行2 轉后滑板與導板的溫度云圖及應力云圖。由圖5、6 可知，滑板、導板摩擦應力強度最大值分布在接觸面對稱面處。

結語

（1）采用有限元分析方法，對十字頭運動過程中滑板與導板的熱力耦合進行分析，得到接觸面的溫度分布、應力分布以及最高溫度的變化趨勢，為研究十字頭滑板、導板材料表面損傷機制提供依據(jù)；

（2）在滑動摩擦過程中,最高溫度在接觸面中線并向外擴展,溫度從接觸面向四周呈遞減趨勢；

（3）該熱力耦合分析為隔膜泵中冷卻油量的確定提供了一些理論依據(jù)。

[1]郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]孔祥安，王琪.摩擦接觸熱傳導有限元研究[J].高分子材料科學與工程，1996，12(6)：15～19.

[3]張學勇，劉沃野，王平，等.離合器摩擦片溫升分析[J].制造業(yè)自動化，2002(2)：16～2O.

[4]陳紅生.摩擦片熱固耦合的有限元分析[J].包裝與機械，2011(1)：81～83.

[5]林騰蛟，李潤方，楊成云，等.濕式摩擦離合器瞬態(tài)熱傳導過程數(shù)值仿真[J].機械科學與技術，2003，22(1)：39～41.

[6]何澤銀，呂和生，林騰蛟，等.濕式多片摩擦離合器接排過程熱結構耦合分析 [J].機械研究與應用，2010(5)：47～50.

[7]Jen Tien -Chen, Nemecek Daniel James.Thermal analysis of a we':-disk clutch subjected to a constant energy engagement[J].International journal of heat and mass transfer,2008,51(7-8)：1757-1769.

[8]馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA 有限元經典實例分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.10.