基于ANSYS的高壓隔膜泵液力端關(guān)鍵件強(qiáng)度對(duì)比分析

張立華（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

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基于ANSYS的高壓隔膜泵液力端關(guān)鍵件強(qiáng)度對(duì)比分析

張立華
（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

摘 要：腔體和隔膜腔是大型高壓隔膜泵液力端的關(guān)鍵部件，也是重量最大的關(guān)鍵件。在隔膜泵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)其實(shí)際所受載荷對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，以確保隔膜泵運(yùn)行過(guò)程中的安全性和可靠性。本文以大型高壓隔膜泵液力端腔體和隔膜腔為研究對(duì)象，采用有限元軟件ANSYS對(duì)其不同進(jìn)行強(qiáng)度分析并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行校核，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的目的，計(jì)算所得結(jié)果對(duì)于大型高壓隔膜泵的設(shè)計(jì)和研發(fā)均具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；液力端 強(qiáng)度對(duì)比分析

1　前言

大型高壓隔膜泵作為流體介質(zhì)輸送的核心設(shè)備，在礦山冶金、石油、化工等諸多領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。大型高壓隔膜泵的液力端主要由活塞缸體、隔膜腔、進(jìn)出口閥箱及活塞等關(guān)鍵零部件所組成。液力端活塞缸體與隔膜腔處于流體的高壓交變載荷作用下，極容易產(chǎn)生疲勞破壞。因此，為確保高壓隔膜泵在用戶使用現(xiàn)場(chǎng)能夠正常、穩(wěn)定運(yùn)行，在液力端關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)流程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并參照計(jì)算結(jié)論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修訂從而確定合理的幾何結(jié)構(gòu)。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)高壓隔膜泵液力端隔膜腔及腔體（計(jì)算壓力37MPa）進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核，得出最大應(yīng)力與產(chǎn)生位置等相關(guān)參數(shù)。以此作為對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的理論依據(jù)，到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低成本的目的，分析計(jì)算結(jié)論對(duì)于隔膜泵液力端各部件的設(shè)計(jì)與研發(fā)均具有理論指導(dǎo)意義。

2　隔膜腔有限元分析

2.1隔膜腔的幾何模型與邊界條件

幾何建模采用三維幾何建模軟件SolidWorks，得到高壓隔膜泵隔膜腔的三維幾何模型圖（如圖1所示）。材質(zhì)為鍛鋼，具體機(jī)械性能如下：σs=345MPa，σb=590MPa，σ-1=215.05MPa。采用國(guó)際主流的大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)隔膜腔進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析計(jì)算，并對(duì)其結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算與校核。

圖1　高壓隔膜泵隔膜腔幾何模型圖

模型的前處理采用專用ANSYS內(nèi)置前處理模塊，為使計(jì)算規(guī)模下降并提高計(jì)算求解的效率，應(yīng)對(duì)隔膜腔的幾何模型細(xì)節(jié)部分做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，選取1/4對(duì)稱模型作為分析和研究的對(duì)象。具體邊界條件如下：各對(duì)稱表面加方向（法線方向）約束，內(nèi)部承壓部分加載工作壓力。邊界條件詳如圖2所示。

圖2　高壓隔膜泵隔膜腔邊界條件圖

2.2隔膜腔的分析與校核

經(jīng)ANSYS軟件有限元分析計(jì)算，得到了此大型高壓隔膜泵隔膜腔在高壓流體輸送過(guò)程中的應(yīng)力分布云圖。如圖3所示，可知隔膜腔最大應(yīng)力位于內(nèi)腔相貫線位置，最大應(yīng)力值為162.7MPa，圓角處應(yīng)力值為93.4MPa。

圖3　高壓隔膜泵隔膜腔應(yīng)力分布云圖

根據(jù)分析結(jié)果對(duì)此結(jié)構(gòu)隔膜腔的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度系數(shù)做強(qiáng)度評(píng)估與校核，其具體經(jīng)驗(yàn)公式如下：

靜強(qiáng)度安全性系數(shù)：

疲勞強(qiáng)度安全性系數(shù)

上述式中各參數(shù)的具體含義如下：S表示機(jī)械零件的靜強(qiáng)度安全系數(shù)；σs表示所使用材質(zhì)的屈服強(qiáng)度；σmax表示所受最大應(yīng)力值；Sa表示疲勞安全性系數(shù)；σ-1表示所用材料的疲勞極限；Kσ表示機(jī)械零件的應(yīng)力集中系數(shù)；ε表示尺寸系數(shù)；β表示表面加工系數(shù)。

通過(guò)查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)能夠獲得此件的應(yīng)力集中系數(shù)值、尺寸系數(shù)值與表面加工系數(shù)值分別為1.2、0.9和0.86。將上述各參數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)計(jì)算可得隔膜腔的靜強(qiáng)度安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù)分別為3.5和2.8，參照同類承壓部件的安全系數(shù)值（靜強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)為2～3，且疲勞安全系數(shù)應(yīng)大于2.5）?？芍裟で坏慕Y(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求。

3　高壓隔膜泵活塞缸體強(qiáng)度分析

3.1活塞缸體的幾何模型與邊界條件

大型高壓隔膜泵液力端活塞缸體的三維幾何模型如圖4所示。材質(zhì)為鍛鋼，材料的機(jī)械性能參數(shù)具體如下：σs=345MPa，σb=590MPa，σ-1=215.05MPa。

對(duì)幾何模型的細(xì)節(jié)部分做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理并取整體模型作為研究對(duì)象。具體邊界條件如下：各螺栓連接表面加方向（法線方向）約束，內(nèi)腔加載壓力35MPa。邊界條件如圖5所示。

圖4　高壓隔膜泵活塞缸體幾何模型圖

圖5　高壓隔膜泵活塞缸體邊界條件圖

經(jīng)ANSYS有限元分析計(jì)算，可獲得該大型隔膜泵活塞缸體的應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

圖6　高壓隔膜泵活塞缸體應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖6所示的應(yīng)力分布云圖，可知活塞缸體的最大應(yīng)力位于內(nèi)腔相貫線處，相貫線位置應(yīng)力值為155.1MPa，圓角處應(yīng)力值為92.8MPa。

采用與隔膜腔相同的強(qiáng)度評(píng)價(jià)體系可知該件能夠滿足強(qiáng)度要求。

結(jié)論

根據(jù)采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)高壓隔膜泵液力端隔膜腔與活塞缸體進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算的結(jié)論表明：隔膜腔和腔體的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在相貫線位置處，這與用戶使用現(xiàn)場(chǎng)的損壞位置相一致。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TH323

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