張立華（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

?

基于ANSYS的高壓隔膜泵液力端關(guān)鍵件強度對比分析

張立華
（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 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)計過程中，應(yīng)依據(jù)其實際所受載荷對其進行強度分析，以確保隔膜泵運行過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象，采用有限元軟件ANSYS對其不同進行強度分析并對分析結(jié)果進行校核，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計方案和和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的目的，計算所得結(jié)果對于大型高壓隔膜泵的設(shè)計和研發(fā)均具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；液力端 強度對比分析

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)場能夠正常、穩(wěn)定運行，在液力端關(guān)鍵件的設(shè)計流程中應(yīng)對其進行強度計算，并參照計算結(jié)論對結(jié)構(gòu)進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對高壓隔膜泵液力端隔膜腔及腔體（計算壓力37MPa）進行強度分析與校核，得出最大應(yīng)力與產(chǎn)生位置等相關(guān)參數(shù)。以此作為對結(jié)構(gòu)進行改進的理論依據(jù)，到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低成本的目的，分析計算結(jié)論對于隔膜泵液力端各部件的設(shè)計與研發(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，具體機械性能如下：σs=345MPa，σb=590MPa，σ-1=215.05MPa。采用國際主流的大型有限元分析軟件ANSYS對隔膜腔進行有限元強度分析計算，并對其結(jié)構(gòu)的機械強度進行計算與校核。

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，為使計算規(guī)模下降并提高計算求解的效率，應(yīng)對隔膜腔的幾何模型細(xì)節(jié)部分做適當(dāng)?shù)暮喕幚?，選取1/4對稱模型作為分析和研究的對象。具體邊界條件如下：各對稱表面加方向（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軟件有限元分析計算，得到了此大型高壓隔膜泵隔膜腔在高壓流體輸送過程中的應(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)果對此結(jié)構(gòu)隔膜腔的靜強度和疲勞強度系數(shù)做強度評估與校核，其具體經(jīng)驗公式如下：

靜強度安全性系數(shù)：

疲勞強度安全性系數(shù)

上述式中各參數(shù)的具體含義如下：S表示機械零件的靜強度安全系數(shù)；σs表示所使用材質(zhì)的屈服強度；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)。

通過查詢機械設(shè)計手冊能夠獲得此件的應(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)驗公式，通過計算可得隔膜腔的靜強度安全系數(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）。可知隔膜腔的結(jié)構(gòu)能夠滿足強度要求。

3　高壓隔膜泵活塞缸體強度分析

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，材料的機械性能參數(shù)具體如下：σs=345MPa，σb=590MPa，σ-1=215.05MPa。

對幾何模型的細(xì)節(jié)部分做適當(dāng)?shù)暮喕幚聿⑷≌w模型作為研究對象。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度評價體系可知該件能夠滿足強度要求。

結(jié)論

根據(jù)采用有限元分析軟件ANSYS對高壓隔膜泵液力端隔膜腔與活塞缸體進行強度分析計算的結(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)場的損壞位置相一致。

參考文獻(xiàn)

[1]凌學(xué)勤.DGMB、SGMB系列往復(fù)式隔膜泵在氧化鋁工藝流程中的應(yīng)用[J].有色設(shè)備，2003（02）.

[2]李大磊，趙玉奇，張志林.SolidWorks高級功能與工程應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008.

[3]馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA有限元經(jīng)典實例分析[D].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4]成大先.機械設(shè)計手冊[D].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

中圖分類號：TH323

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A