（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

基于ADINA的大型隔膜泵活塞桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 偉

（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

活塞桿是長(zhǎng)距離管道輸送用大型隔膜泵液力端的關(guān)鍵部件之一，活塞桿作為隔膜泵中連接動(dòng)力端和液力端的關(guān)鍵部件，主要用于將隔膜泵動(dòng)力端的動(dòng)力傳遞給液力端，使油缸里的液壓油推動(dòng)隔膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在它的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)隔膜泵動(dòng)力端的實(shí)際工況對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析與強(qiáng)度校核。本文利用有限元分析軟件ADINA對(duì)大型高壓隔膜泵活塞桿進(jìn)行應(yīng)力分析。并在此基礎(chǔ)上，采用規(guī)避二次應(yīng)力疊加的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)新的活塞桿結(jié)構(gòu)并進(jìn)行應(yīng)力分析，獲得了一種既降低了應(yīng)力水平又減少重量的活塞桿結(jié)構(gòu)。

隔膜泵；液力端；活塞桿；應(yīng)力分析；優(yōu)化

近年來(lái)工業(yè)中將固體物料制成高濃度漿體進(jìn)行多相流管道輸送逐漸成為了迅速發(fā)展起來(lái)的新型運(yùn)輸方式，它已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)部門(mén)，如化學(xué)工業(yè)中物料的水力輸送、水利工程的港口疏浚和河道治理、火力發(fā)電廠的廢渣輸送、采礦工程的水力開(kāi)采和水砂充填、選礦廠精礦和尾礦的輸送等。隔膜泵作為固-液兩相介質(zhì)輸送的核心設(shè)備，在煤化工和氧化鋁等領(lǐng)域日益得到廣泛的應(yīng)用。隔膜泵動(dòng)力端主要由曲軸、連桿、十字頭和介桿等關(guān)鍵件組成。其中，液力端的活塞桿通過(guò)卡箍與動(dòng)力端的介桿連接，保證動(dòng)力端動(dòng)力穩(wěn)定輸出到液力端?；钊麠U在傳遞動(dòng)力過(guò)程中受到持續(xù)的大噸位載荷，有時(shí)會(huì)在其圓角處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在正常的工作條件下，該處也極易達(dá)到屈服。為了設(shè)計(jì)既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理，需對(duì)活塞桿進(jìn)行應(yīng)力分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文采用三維建模程序SolidWorks和通用有限元分析程序ADINA，建立了活塞桿三維幾何模型并進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，同時(shí)對(duì)活塞桿進(jìn)行了減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 活塞桿優(yōu)化設(shè)計(jì)

三種活塞桿（軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式）結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。分別對(duì)三種活塞桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和強(qiáng)度校核。

1.1 第一種活塞桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

對(duì)第一種活塞桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，活塞桿網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，由于活塞桿圓角（R10）具有應(yīng)力集中，對(duì)此處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)劃，活塞桿材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，材料屈服極限為550MPa。

邊界條件：約束活塞桿與介桿的接觸面，在活塞桿與活塞接觸面施加沿軸線方向的壓力，活塞桿幾何模型和有限元模型分別如圖2和圖3所示。

圖1 三種活塞桿幾何模型

表1 三種活塞桿計(jì)算結(jié)果對(duì)比

活塞桿的應(yīng)力云圖如圖4所示。

1.2 第二種活塞桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖2 第一種活塞桿幾何模型

圖3 第一種活塞桿有限元模型

圖4 第一種活塞桿應(yīng)力云圖

圖5 第二種活塞桿幾何模型

圖6 第二種活塞桿有限元模型

圖7 第二種活塞桿應(yīng)力云圖

圖8 第三種活塞桿幾何模型

圖9 第三種活塞桿有限元模型

圖10 第三種活塞桿應(yīng)力云圖

對(duì)第二種活塞桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，活塞桿的受力和邊界約束條件與第一種結(jié)構(gòu)保持一致，活塞桿圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，第二種活塞桿結(jié)構(gòu)的幾何模型和有限元模型如圖5和圖6所示。

活塞桿的應(yīng)力云圖如圖7所示。

1.3 第三種活塞桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

對(duì)第三種活塞桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，活塞桿的受力和邊界約束條件與第一種、第二種結(jié)構(gòu)保持一致，活塞桿圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，第三種活塞桿結(jié)構(gòu)的幾何模型和有限元模型如圖8和圖9所示。

活塞桿的應(yīng)力云圖如圖10所示。

2 活塞桿優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

將三種活塞桿結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力結(jié)果匯總，包括了活塞桿最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、最大單元應(yīng)力、最大應(yīng)力位置及活塞桿的重量信息，見(jiàn)表1。

結(jié)語(yǔ)

（1）第一種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)活塞桿結(jié)構(gòu)形式，可以看出該種設(shè)計(jì)不僅重量最重，而且活塞桿圓角處應(yīng)力集中也最嚴(yán)重，最大應(yīng)力達(dá)到了233.435MPa，

（2）第二種結(jié)構(gòu)是在第一種設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的是改進(jìn)設(shè)計(jì)，將卡箍處圓角半徑增大，使應(yīng)力降低到171.197MPa，說(shuō)明增大圓角有利于緩解應(yīng)力集中。

（3）第三種結(jié)構(gòu)采用一種手電筒形式，應(yīng)力分布較均勻，并且卡箍圓角最大應(yīng)力得到有效降低119.571MPa，而且其重量最輕，是三種結(jié)構(gòu)中最合理的設(shè)計(jì)。

[1]郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA有限元經(jīng)典實(shí)例分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

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