孫丹龍

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

大型高壓隔膜泵雙頭螺柱的強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫丹龍

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

雙頭螺柱作為隔膜泵動力端及液力端裝配體中的主要連接零件，對隔膜泵整機安全性與運行效率有著重要的影響。本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對兩種不同結(jié)構(gòu)的雙頭螺柱進行強度計算與分析，經(jīng)過對比得到滿足強度要求的最優(yōu)形貌結(jié)構(gòu)，其結(jié)論對大型高壓隔膜泵的相關(guān)零部件設(shè)計研發(fā)具有較強的指導(dǎo)意義。

大型高壓隔膜泵；高強雙頭螺柱；強度分析

0.前言

大型高壓隔膜泵作為能源化工行業(yè)中固-液兩相流體輸送的核心設(shè)備，其總體結(jié)構(gòu)主要由動力端、液力端、液壓控制系統(tǒng)、電機減速機等關(guān)鍵部件組成。其中，作為連接各個部裝的雙頭螺柱，在高壓隔膜泵運行過程中主要承受較高的螺栓力載荷。該件的設(shè)計和制造不僅應(yīng)嚴格參照緊固件相關(guān)標準，還應(yīng)結(jié)合隔膜泵的具體使用環(huán)境、工況條件和裝配工藝流程等諸多因素。不僅要保證充足的裝配和拆卸空間以便于各關(guān)鍵部件的裝配，還應(yīng)使其滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，從而避免產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致雙頭螺柱在大型隔膜泵現(xiàn)場運行中發(fā)生疲勞斷裂。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對兩種不同結(jié)構(gòu)的雙頭螺柱進行強度分析，并對分析結(jié)果進行評價。通過對比研究確定應(yīng)力集中程度最小、應(yīng)力分布最佳的結(jié)構(gòu)形式。其分析手段與計算結(jié)論對壓力容器類相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)具有較強的理論指導(dǎo)意義。

1.高強螺柱的強度分析

1.1 幾何模型與邊界條件

雙頭螺柱為M64×4，螺柱總長890mm，性能等級為10.9級，該螺柱有上下兩段縮頸，三維模型如圖1所示。由于雙頭螺柱為對稱結(jié)構(gòu)，為方便計算，可對二分之一模型進行分析計算。利用三維建模軟件建立雙頭螺柱的三維幾何模型并以導(dǎo)入到有限元分析軟件中。利用ANSYS專用前處理模塊對三維幾何模型進行區(qū)域離散化，并對可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的圓角部位細化共劃分單元7503個，節(jié)點8029個。對螺柱底部施加位移約束，頂部施加螺栓力，載荷及約束如圖2所示，其中螺栓按照隔膜泵實際承壓值加載，預(yù)緊系數(shù)按1.8選取計算，可得到每個螺栓受力為611051.8N。

表1　雙頭螺柱各縮徑位置變形匯總表

表2　改進結(jié)構(gòu)雙頭螺柱各段縮頸變形量

1.2 計算仿真結(jié)果

分析結(jié)果顯示，螺柱最大的軸向拉伸變形為1.2mm，最大等效應(yīng)力為410MPa。其中各段縮頸變形量詳見表1，其應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖分別如圖3和圖4所示。

為了更好地改進雙頭螺柱的變形及應(yīng)力等參數(shù)，現(xiàn)在螺柱長度、連接情況相同的基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)形式進行改進。并利用相同的網(wǎng)格規(guī)模與邊界條件進行有限元分析，在原結(jié)構(gòu)雙頭螺柱的下端長縮頸處以兩個較短縮頸代替，三維模型如圖5所示，分析結(jié)果如圖6所示與圖7所示。

分析結(jié)果顯示改進結(jié)構(gòu)后的雙頭螺柱最大軸向拉伸變形為0.864mm，最大等效應(yīng)力為378MPa。其中各段縮頸變形量詳見表2。

結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對兩種結(jié)構(gòu)的大型隔膜泵雙頭螺柱進行強度分析，并根據(jù)計算結(jié)果的對比，可得出結(jié)論如下：（1）兩種結(jié)構(gòu)的雙頭螺柱在相同工況下的最大應(yīng)力均位于縮徑位置處；最大變形均位于雙頭螺柱的受載端面。（2）兩種雙頭螺柱的分析結(jié)果對比可知，改進后的結(jié)構(gòu)具有更好的應(yīng)力分布和更小的應(yīng)力集中，因此具有更好的使用效果與安全保障。

［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.

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