基于ANSYS的三缸單作用隔膜泵活塞缸的強度對比分析

陳勇軍

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

1 前言

三缸單隔膜泵作為固-液兩相流體輸送的核心設(shè)備，已在冶金、化工、能源等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。隔膜泵液力端主要由活塞缸、進出料管、隔膜室以及閥箱等部件組成。其中，出活塞缸作為位于隔膜泵液力端的重要零件，其內(nèi)部承受流體壓力載荷，并隨著流體輸送和活塞的往復運動的影響使該件成為液力端主要易損件之一。設(shè)計缸套的關(guān)鍵因素在于合理確定缸套的壁厚使應力分布得到改善，避免因過度的應力集中和變形而導致缸套在隔膜泵運行現(xiàn)場發(fā)生疲勞破壞。此外，設(shè)計中還應充分考慮合金鋼零部件的成本因素，這要求設(shè)計者在能夠滿足強度要求的前提下盡力降低零件的重量。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對活塞缸進行強度分析，并對分析結(jié)果進行評價。通過對比分析結(jié)果來確定符合強度設(shè)計要求并且壁厚合理、重量較輕的結(jié)構(gòu)形式。其分析方法與結(jié)論對相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)具有一定的理論指導意義。

2 隔膜泵液力端活塞缸強度分析

2.1 幾何模型與邊界條件

三缸單作用隔膜泵液力端活塞缸所處位置如圖1所示，由圖1可知，活塞缸裝配于腔體之后并在其內(nèi)部安裝活塞芯與活塞桿，兩者隨動力端曲軸的旋轉(zhuǎn)做往復運動?；钊缀蠖伺c油缸壓蓋相連。在隔膜泵的現(xiàn)場運行過程中，活塞缸內(nèi)部受輸送料漿工作壓力載荷作用?；钊椎娜S結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，對缸套強度產(chǎn)生影響的主要因素為缸套的壁厚。由于缸套為全對稱結(jié)構(gòu)，為降低計算規(guī)模，可以對1/4模型進行分析計算。利用三維幾何建模軟件Solid Works建立液力端缸套的幾何模型并以.SAT的格式導入有限元分析軟件ANSYS中。采用ANSYS前處理模塊對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，對易產(chǎn)生應力集中的位置進行細化（相貫線處圓角），共得到三維四面體單元30871個，節(jié)點22398個。根據(jù)液隔膜泵液力端運行過程中實際工況的來定義邊界條件如下：在實際運行工況下，壓力載荷作用于缸套內(nèi)腔表面（35MPa），在1/4對稱面施加對稱方向約束，缸套與油缸壓蓋之間的接觸面定義另外一個方向的約束。缸套的邊界條件如圖3所示。

2.2 計算仿真結(jié)果

通過提取ANSYS后處理結(jié)果得到該液力端活塞缸的應力與變形分布云圖分別如圖4和圖5所示。

由于活塞缸為合金鋼鍛件，因此根據(jù)機械設(shè)計手冊1-107可知其強度分析結(jié)果的評定通常由工作應力與許用應力之間的關(guān)系式來確定。工作應力σc與許用應力σp的一般關(guān)系為：σc≤σp，其中工作應力即為分析所得的最大應力值，許用應力則根據(jù)制造活塞缸的材料屬性以及零件的關(guān)鍵程度等因素來共同確定。三通的材質(zhì)為鍛造合金鋼，經(jīng)計算其材料的許用應力為120MPa，而有限元分析結(jié)果為78.2MPa，因此根據(jù)分析結(jié)果可知，該活塞缸在設(shè)計上能夠滿足強度要求。

為達到降低重量從而減少生產(chǎn)成本的目的，對活塞缸的壁厚進行調(diào)整。將壁厚由70mm降低為60mm，這樣可將活塞缸的重量大幅降低，采用與上述內(nèi)容相同的邊界條件、網(wǎng)格規(guī)模對其進行強度分析可以得到減重后新結(jié)構(gòu)缸套的應力分布云圖和變形分布云圖分別如圖6和圖7所示。

表1 不同厚度缸套分析結(jié)果匯總表

采用相同的評價體系對60mm壁厚活塞缸進行應力評定可知該種結(jié)構(gòu)亦能滿足強度要求。為便于對結(jié)構(gòu)進行評價，將不同壁厚活塞缸的應力、變形的分析結(jié)果進行對比并將結(jié)果匯見表1。

結(jié)論

本文利用大型有限元分析軟件ANSYS對不同厚度的三缸單作用隔膜泵液力端活塞缸進行強度分析，并根據(jù)非標準件強度評定的相關(guān)準則對分析結(jié)果進行評價。綜合對比計算結(jié)果，得出結(jié)論如下：

（1）通過對比可知，不同厚度的液力端活塞缸在相同工況下的最大應力均位于內(nèi)腔邊緣位置，且最大變形與最大應力所產(chǎn)生的位置基本相同。根據(jù)隔膜泵現(xiàn)場運行實際情況可知其結(jié)論真實可靠。

（2）對不同厚度的活塞缸進行對比發(fā)現(xiàn)，每降低10mm壁厚，減重可達15kg。但最大應力值隨之增加，最大變形的變化量不大。

（3）根據(jù)機械設(shè)計手冊中的材料屬性推薦值以及應力評價體系對不同厚度活塞缸進行應力評定可知，在高壓力、大流量工況下皆能滿足強度要求，但為達到隔膜泵安全穩(wěn)定運行，且考慮安全系數(shù)和裕度的前提下，應將壁厚定為50mm，且此結(jié)構(gòu)能夠大幅降低制造企業(yè)生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

[1]《活塞式壓縮機設(shè)計》編寫組.活塞式壓縮機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1974.

[2]郁永章.容積式壓縮機[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

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