王少華 姬小東

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

大型煤化工隔膜泵出料三通的強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王少華 姬小東

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

大型隔膜泵作為煤化工行業(yè)水煤漿輸送的核心設(shè)備，其具有大流量、高壓力和輸送穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，并已得到廣泛應(yīng)用。出料三通作為隔膜泵液力端的關(guān)鍵零部件，其內(nèi)部承受較高工作壓力載荷并容易在相貫線位置產(chǎn)生疲勞破壞。本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對出料三通根據(jù)實際工況進行強度分析，并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其結(jié)論對隔膜泵液力端相關(guān)零部件的設(shè)計研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

隔膜泵；出料三通；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1　前言

大型三缸單隔膜泵作為煤化工行業(yè)水煤漿輸送的核心設(shè)備，其液力端主要由進出料閥箱、進出料管、隔膜室以及活塞缸等關(guān)鍵部件組成。其中，出料三通作為位于隔膜泵出料端的大型鑄件，其兩側(cè)焊接于隔膜泵出料管上且內(nèi)部承受料漿壓力載荷，受其影響該件為液力端主要易損件之一。設(shè)計出料三通關(guān)鍵在于改善三通內(nèi)腔相貫線處的應(yīng)力分布，避免因過度的應(yīng)力集中致三通在泵運行現(xiàn)場發(fā)生疲勞破壞。此外，設(shè)計中還應(yīng)充分考慮鑄造件的成本因素，這要求設(shè)計者在能夠滿足強度要求的前提下降低鑄件的重量。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對出料三通進行強度分析，并對分析結(jié)果進行評價。通過對比分析確定符合強度設(shè)計要求并重量較輕的結(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(dǎo)意義。

2　隔膜泵液力端出料三通強度分析

2.1幾何模型與邊界條件

三缸單作用隔膜泵液力端出料三通所處位置如圖1所示，由圖1可知，出料三通焊接于出料管之上并在其后端安裝三通支架以保證其穩(wěn)定性。出料三通上方與出料氮氣包相連。在隔膜泵的現(xiàn)場運行過程中，出料三通內(nèi)部受輸送料漿的較高的工作壓力載荷作用。出料三通三維剖視結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　隔膜泵出料端結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　隔膜泵出料三通內(nèi)腔結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2可知，對三通強度產(chǎn)生影響的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為相貫線位置處的圓角值以及內(nèi)腔擴張角（圖中為45°）。由于出料三通為對稱結(jié)構(gòu)，為降低計算規(guī)模，可以對1/2模型進行分析計算。利用三維幾何建模軟件Solid Works建立液力端出料三通的幾何模型并以.SAT的格式導(dǎo)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(yīng)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20592個，節(jié)點13826個。根據(jù)液力端三通在隔膜泵實際運行過程中實際工況的受載情況定義邊界條件如下：在實際運行工況下，壓力載荷作用于出料三通內(nèi)腔表面（16MPa），在二分之一對稱面施加對稱方向約束，螺紋孔內(nèi)按實際力矩加載螺栓力。邊界條件如圖3所示。

圖3　出料三通邊界條件示意圖

2.2計算仿真結(jié)果

通過提取ANSYS后處理結(jié)果得到該液力端三通的應(yīng)力與變形分布云圖分別如圖4和圖5所示。

圖4　出料三通應(yīng)力分布云圖

圖5 出料三通變形分布云圖

由于此件為非標準鑄件，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(yīng)力與許用應(yīng)力之間的關(guān)系式來確定。工作應(yīng)力σc與許用應(yīng)力σp的一般關(guān)系為：σc≤σp，其中工作應(yīng)力即為分析所得的最大應(yīng)力值，許用應(yīng)力則根據(jù)制造三通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)為鑄造合金鋼，經(jīng)計算其材料的許用應(yīng)力為154.3MPa，而有限元分析結(jié)果為73.9MPa，因此根據(jù)分析結(jié)果可知，該出料三通在設(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，對出料三通的結(jié)構(gòu)進行改造。將三通內(nèi)腔擴張角由45°改為30°，可將出料三通的重量減少30kg，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)出料三通的應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6　新結(jié)構(gòu)出料三通應(yīng)力分布云圖

圖7　新結(jié)構(gòu)出料三通變形分布云圖

為便于對結(jié)構(gòu)進行評價，將上述兩種結(jié)構(gòu)（分別稱之為原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)）出料三通應(yīng)力、變形的分析結(jié)果進行對比，并將結(jié)果匯總見表1。

表1　兩種結(jié)構(gòu)出料三通分析結(jié)果匯總表

結(jié)論

本文利用大型有限元分析軟件ANSYS對兩種結(jié)構(gòu)的三缸單作用隔膜泵液力端出料三通進行強度分析，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，兩種結(jié)構(gòu)的液力端出料三通在相同工況下的最大應(yīng)力均位于三通與氮氣包接觸面附近的內(nèi)腔相貫線位置，且最大變形與最大應(yīng)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）新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，降低了零件的重量，減重可達20kg。但最大應(yīng)力值變化明顯，從73.9MPa增至91.3MPa。最大變形的變化量不大，僅從0.0 20 m m增至0.024mm。

（3）根據(jù)機械設(shè)計手冊中的材料屬性推薦值以及應(yīng)力評價體系對兩種結(jié)構(gòu)出料三通進行應(yīng)力評定可知，兩者在高壓力、大流量工況下皆能滿足強度要求，而對比而言新結(jié)構(gòu)的重量更輕，在批量化大規(guī)模生產(chǎn)的前提下采用新結(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(xué)工業(yè)出版社，2002.

TB301

A

王少華（1970-），男，遼寧省沈陽市人，工程師，主要從事機械裝備工藝設(shè)計研究工作，中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司設(shè)計研究所工藝設(shè)計人員。