孫磊

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

1概述

大型隔膜泵作為固-液兩相介質(zhì)輸送的核心設(shè)備，在冶金、石油化工和長(zhǎng)距離管道輸送等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。大型隔膜泵動(dòng)力端主要由下箱體、曲軸、連桿和十字頭等關(guān)鍵部件所組成。其中，下箱體的軸承支撐由于受到大噸位曲軸反作用力以及下導(dǎo)板座承受十字頭的正壓力，使其在下箱體板材的局部焊接位置容易生破壞。因此，為保證大型隔膜泵在用戶現(xiàn)場(chǎng)正常、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，在下箱體的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，以確保其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。本文采用大型有限元分析軟件ADINA對(duì)大型長(zhǎng)距離管道輸送用隔膜泵動(dòng)力端下箱體（工況活塞力為140T）進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核，得出最大應(yīng)力值及其位置等參數(shù)。并對(duì)下箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降本增效的目的，其分析結(jié)論對(duì)隔膜泵下箱體及其相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

圖2 .1大型隔膜泵下箱體三維幾何模型圖

圖2 .2導(dǎo)入ADINA的隔膜泵下箱體網(wǎng)格圖

2大型隔膜泵下箱體強(qiáng)度分析

2.1 下箱體幾何模型與邊界條件

采用三維幾何建模軟件SolidWorks裝配得到大型隔膜泵動(dòng)力端下箱體的三維幾何模型如圖2.1所示，其結(jié)構(gòu)主要由不同厚度的金屬板材（板材厚度分別為30mm、35mm和 40mm；所 用 材 質(zhì) 為Q345B）經(jīng)焊接構(gòu)成。Q345B的機(jī)械性能為：

動(dòng)力端下箱體運(yùn)行過(guò)程中的破壞主要表現(xiàn)為金屬板材之間局部焊接位置的應(yīng)力集中，使用有限元分析軟件ADINA對(duì)該下箱體進(jìn)行強(qiáng)度分析，進(jìn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

采用專用前處理軟件對(duì)大型隔膜泵下箱體三維幾何模型進(jìn)行前處理，為降低計(jì)算規(guī)模、提高求解效率，在Solid-Works中對(duì)不同厚度的金屬板材部件進(jìn)行中面抽取。前處理過(guò)程中將下箱體軸承支撐、箱體前板等部件劃分為三維四面體單元；對(duì)抽取中面的金屬板材部件劃分為二維四邊形單元，通過(guò)定義二維單元的厚度來(lái)賦予金屬板材厚度。共得到節(jié)點(diǎn)63820個(gè)，單元50362個(gè)，將前處理網(wǎng)格導(dǎo)入ADINA中如圖2.2所示。

根據(jù)下箱體的實(shí)際受力情況定義有限元分析的邊界條件如下：根據(jù)隔膜泵曲軸噸位（140T）將其對(duì)軸承支撐的反作用力加載到軸承支撐的內(nèi)表面；將十字頭正壓力均勻分布在下導(dǎo)板座上；對(duì)下箱體底板處定義全約束。

2.2 下箱體強(qiáng)度分析與校核

經(jīng)ADINA有限元分析，得到該大型隔膜泵下箱體的應(yīng)力分布圖如圖2.3所示。

由應(yīng)力分布云圖可知，隔膜泵下箱體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第二軸承支撐與金屬板材的焊接位置處，最大應(yīng)力值為69.373MPa，局部應(yīng)力分布圖如圖2.4所示。

根據(jù)分析結(jié)果對(duì)下箱體的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

靜強(qiáng)度安全系數(shù)：

圖2 .3 隔膜泵下箱體應(yīng)力分布云圖

圖2 .4 最大應(yīng)力位置局部示意圖

圖2 .5 改造方案一下箱體應(yīng)力分布云圖

圖2 .6 改造方案一的最大應(yīng)力位置局部示意圖

圖2 .7 改造方案二下箱體應(yīng)力分布云圖

圖2 .8 改造方案二的最大應(yīng)力位置局部示意圖

S——機(jī)械零件的靜強(qiáng)度安全系數(shù)；

σs——機(jī)械零件所使用材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，MPa；

σmax——機(jī)械零件所受最大應(yīng)力值，MPa；

Sa—— 機(jī)械零件的疲勞安全系數(shù)；

σ-1——材料的疲勞極限，MPa；

Kσ——機(jī)械零件的應(yīng)力集中系數(shù)；

ε——機(jī)械零件的尺寸系數(shù)；

β——機(jī)械零件的表面加工系數(shù)。

經(jīng)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得到下箱體的應(yīng)力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)和表面加工系數(shù)分別為1.0、0.88和0.9。將各參數(shù)代入上述公式計(jì)算可得下箱體的靜強(qiáng)度安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù)分別為4.2和3，而同類產(chǎn)品要求靜強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)為1.7~2，且疲勞安全系數(shù)應(yīng)大于2.5]。由此可知該種下箱體結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求。

為實(shí)現(xiàn)下箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，達(dá)到降本增效的目的，現(xiàn)對(duì)下箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，兩種改造方案分別稱為改造方案一和改造方案二，改造方案一是將下箱體中所有厚度為40mm的金屬板材改為為厚度35mm；改造方案二則是將每種厚度的金屬板材均減薄5mm。上述兩種結(jié)構(gòu)的下箱體強(qiáng)度分析結(jié)果分別如圖2.5~2.8所示。兩種改造結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和安全系數(shù)匯總?cè)绫?.1所示

結(jié)語(yǔ)

1根據(jù)有限元分析軟件ADINA對(duì)長(zhǎng)距離管道輸送用大型隔膜泵動(dòng)力端下箱體進(jìn)行強(qiáng)度分析的結(jié)果表明：隔膜泵下箱體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承支撐與金屬板材的焊接位置附近，這與用戶使用現(xiàn)場(chǎng)的損壞位置相一致。

2根據(jù)對(duì)不同結(jié)構(gòu)隔膜泵下箱體強(qiáng)度分析與校核結(jié)果可知。原有結(jié)構(gòu)和兩種改造結(jié)構(gòu)的下箱體均能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，但改造方案二所使用的金屬板材厚度較其他兩種結(jié)構(gòu)更薄，生產(chǎn)制造成本更低，因此采用該種結(jié)構(gòu)制造下箱體可達(dá)到降本增效的目的。

3采用抽取中面的方式對(duì)構(gòu)成下箱體三維模型中的金屬板材進(jìn)行前處理，以及通過(guò)賦予二維單元厚度的方式來(lái)定義不同的金屬板厚等方法降低了有限元分析的計(jì)算規(guī)模并提高了求解效率，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)周期，對(duì)其它同類產(chǎn)品的研發(fā)具有一定的借鑒意義。

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