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基于ANSYS的三缸隔膜泵的有限元分析

发布于:2021-03-15 21:30
有限元分析

       三缸单作用隔膜泵作为煤化工长距离管道输送领域中固-液两相介质(如水煤浆等)的核心设备,其动力端主要由三拐曲轴、连杆、十字头及介杆等关键部件联接所构成。其中,位于连杆小端的销轴轴承以及隔膜泵介杆,要分别通过装配才能与动力端十字头相连接。在隔膜泵的实际运行过程中,十字头内表面受隔膜泵曲轴活塞力的作用,表现为余弦力分布形式。该作用力为十字头所承受的主要载荷,也是引起十字头发生疲劳破坏的重要原因之一。因此,在设计大型隔膜泵十字头的过程中不仅应考虑材质和装配空间的因素,还应保证十字头在承受大吨位活塞力的过程中不发生疲劳破坏,使其在结构角度满足强度的要求上,避免产生过度的应力集中而在泵的现场运行过程中发生疲劳破坏。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对三缸单作用大型隔膜泵动力端十字头进行强度分析,并对分析结果进行评估以确定其是否满足强度要求。
       三缸单作用隔膜泵动力端十字头的三维几何模型如图所示。为降低计算规模,提高计算效率,本文对十字头强度分析的几何模型采用1/2对称模型。十字头材质的机械性能为σb=600MPa, σs=370MPa,σ-1=223MPa。
       对十字头的几何模型进行简化处理,去掉对结构应力影响较小的细节并以.SAT格式将几何模型导入到大型有限元分析软件ANSYS的前处理界面中,对该模型进行网格划分,单元类型采用三维四面体单元solid45,网格尺寸为20mm,同时注意对有可能产生应力集中的局部细节部位网格进行细化处理以使得该区域的计算分析结果真实可信,网格划分后共生成四面体单元20785个。由于所分析的十字头为整体模型的1/2,因此需在对称表面上施加对称约束条件,并对十字头与介杆的接触面节点施加方向约束。对于十字头孔与销轴轴承相接触的部分,则施加按余弦函数分布的工况活塞力。十字头的有限元模型及边界条件如图所示。
       观察提取有限元分析软件ANSYS的计算后的处理结果得到大型隔膜泵动力端十字头在大吨位工况活塞力作用下的应力分布云图和变形分布图。
       根据图的后处理结果可知,动力端十字头最大应力位置出现在十字头与介杆相接触表面附近的圆角处,最大应力为90.55MPa,最大变形出现在十字头销轴轴承孔附近,最大变形量为0.102mm,但最大应力产生的位置距被施加方向约束的节点位置较近,因此约束条件可能对结果有较大的影响,且十字头实际所受到的工况活塞力主要分布于十字头孔与销轴轴承接触的部分,因此考虑将受边界条件影响的分析结果视为奇异解,此时考察第二热点应力,即忽略圆角附近应力结果后的最大应力值。经ANSYS后处理得到十字头的最大应力位于销轴孔处(即受余弦函数分布活塞力位置处)。此时十字头的应力分布云图和变形分布图分别如图所示。
       采用有限元分析软件ANSYS对大型隔膜泵动力端十字头进行强度分析,在按照实际运行工况对其进行边界条件的定义并施加载荷的条件下,得到应力分布和变形等强度分析结果。需采用基于Good Man曲线判定准则的规定来对十字头的静强度安全系数和疲劳强度安全系数进行计算,以判定其是否满足强度要求。
       根据表所示的结论可知,此结构的隔膜泵动力端十字头在动力端位活塞力的作用下,其静强度安全系数和疲劳强度安全系数均大于许用安全系数,由此可认为该十字头在实际工况下可以满足强度要求。此外,综合参考上述分析结果,可考虑在许用安全系数范围内并满足装配空间的要求下适当减薄十字头壁厚,以达到简化结构、降低成本的目的。


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