楊久寶

（中國有色(沈陽)冶金機械有限公司設計研究所，遼寧 沈陽 110141）

隔膜泵系列產(chǎn)品是用于長距離管道化輸送固液兩相介質的核心設備。其工作原理為：電動機通過減速機驅動曲軸、連桿、十字頭，使旋轉運動轉為直線運動，帶動活塞進行往復運動。液力端利用活塞、活塞桿、隔膜運動以及進出料單向閥開閉完成料漿的輸送工作?；钊麠U與動力端中的介桿連接，由卡箍鎖固后,通過與十字頭連動拉動活塞進行往復運動，利用油壓推動隔膜使料漿通過隔膜室及進出料閥箱吸入和排出。

活塞桿是活塞和十字頭間的連接件，在高壓大流量的三缸單作用隔膜泵中，活塞桿承受全部的活塞推力。因此有必要對活塞桿進行有限元強度分析和穩(wěn)定性分析。本文借助大型通用有限元軟件ANSYS12.0對其進行了靜強度和屈曲分析。

1 有限元模型建立

本文對活塞力為600KN的活塞桿進行分析。根據(jù)活塞桿的結構形狀特點,采用軸對稱模型，以實體單元plane182單元劃分，單元網(wǎng)格大小為2，共劃分12886個單元。圖1為活塞桿網(wǎng)格劃分圖。

2 工況及載荷計算

3 結果分析

圖1 活塞桿網(wǎng)格劃分圖

圖2 活塞桿去程應力云圖

圖3 活塞桿回程應力云圖

圖4 活塞桿屈曲分析載荷及邊界條件

對兩種工況的活塞桿進行強度計算。結果顯示：去程最大應力集中在活塞桿與活塞接觸面臺肩下圓角處，且最大等效應力為119.658MPa。回程最大應力集中在活塞桿與介桿連接端臺肩圓角處，且最大等效應力為32.471MPa?；钊麠U材料為42CrMoA,抗拉強度 σb=800MPa,取安全系數(shù)為 3.5，則許用應力［σ］=228MPa?？紤]最大活塞力時活塞桿應力小于許用應力，說明設計能滿足工作的強度要求。對于應力集中的位置,可以通過增大連接處的過渡圓角來減小應力集中,提高活塞桿的強度（如圖 2、圖3）。

4 非線性屈曲分析

屈曲分析是一種用于確定結構開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀（結構發(fā)生屈曲響應時的特征形狀）的技術，非線性屈曲分析是一種典型而且重要的幾何非線性分析。其用于對實際結構的設計，該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術來求得使結構開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷。應用非線性技術，模型中可以包括諸如初始缺陷、塑性、間隙、大變形響應等特征。

以特征值的屈曲形狀為基礎定義初始幾何缺陷的步驟如下：

（1）建立沒有初始幾何缺陷的模型；

（2）進行特征值屈曲分析；

（3）用UPGEOM或UPCOORD命令來施加幾何缺陷；

（4）進行非線性屈曲分析。

活塞桿屈曲分析采用BEAM189單元進行網(wǎng)格劃分，在右端施加1N單位載荷,約束左端所有位移，右端除軸向的所有位移，如圖4所示。圖5是活塞桿屈曲模態(tài)圖，圖6是活塞桿失穩(wěn)變形的載荷位移曲線，由結果可知，當活塞力大于 時，活塞桿會發(fā)生失穩(wěn)斷裂，而該活塞桿的最大設計力為 ,遠小于活塞桿產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象的最小力，所以活塞桿的設計滿足穩(wěn)定性要求（如圖 4、圖 5、圖 6）。

圖5 活塞桿屈曲模態(tài)圖

圖6 活塞桿載荷位移曲線

結語

（1）本文應用有限元軟件ANSYS對隔膜泵的活塞桿進行了靜強度和非線性屈曲分析，得到了活塞桿的應力分布云圖、以及失穩(wěn)的臨界載荷。分析表明活塞桿的設計滿足強度和穩(wěn)定性要求。

（2）本文為隔膜泵桿類零件的強度和穩(wěn)定性設計提供了一種方便可靠的方法，為隔膜泵桿類零件的設計和持續(xù)改進提供了理論依據(jù)。

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