大型煤化工隔膜泵出料三通的強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王少華　姬小東

摘 要：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(diǎn)，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(duì)出料三通根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)論對(duì)隔膜泵液力端相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；出料三通；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TB301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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(jìn)出料閥箱、進(jìn)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(jì)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(guò)度的應(yīng)力集中致三通在泵運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生疲勞破壞。此外，設(shè)計(jì)中還應(yīng)充分考慮鑄造件的成本因素，這要求設(shè)計(jì)者在能夠滿足強(qiáng)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(duì)出料三通進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)比分析確定符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求并重量較輕的結(jié)構(gòu)形式。其分析方法與結(jié)論對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(qiáng)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?dú)獍噙B。在隔膜泵的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)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。

根據(jù)圖2可知，對(duì)三通強(qiáng)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(kuò)張角（圖中為45°）。由于出料三通為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為降低計(jì)算規(guī)模，可以對(duì)1/2模型進(jìn)行分析計(jì)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(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置進(jìn)行細(xì)化（相貫線處圓角），共得到三維四面體單元20592個(gè)，節(jié)點(diǎn)13826個(gè)。根據(jù)液力端三通在隔膜泵實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際工況的受載情況定義邊界條件如下：在實(shí)際運(yùn)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(duì)稱面施加對(duì)稱方向約束，螺紋孔內(nèi)按實(shí)際力矩加載螺栓力。邊界條件如圖3所示。

2.2 計(jì)算仿真結(jié)果

通過(guò)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。

由于此件為非標(biāo)準(zhǔn)鑄件，因此根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)1-107可知其強(qiáng)度分析結(jié)果的評(píng)定通常由工作應(yīng)力與許用應(yīng)力之間的關(guān)系式來(lái)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(lái)共同確定。三通的材質(zhì)為鑄造合金鋼，經(jīng)計(jì)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(jì)上能夠滿足強(qiáng)度要求。

為達(dá)到降低重量從而減少生產(chǎn)成本的目的，對(duì)出料三通的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。將三通內(nèi)腔擴(kuò)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(duì)其進(jìn)行強(qiáng)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。

為便于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(jìn)行對(duì)比，并將結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

結(jié)論

本文利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的三缸單作用隔膜泵液力端出料三通進(jìn)行強(qiáng)度分析，并根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)件強(qiáng)度評(píng)定的相關(guān)準(zhǔn)則對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合對(duì)比計(jì)算結(jié)果，得出結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)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?dú)獍佑|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(chǎng)運(yùn)行實(shí)際情況可知其結(jié)論真實(shí)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(dá)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0.020mm增至0.024mm。

（3）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的材料屬性推薦值以及應(yīng)力評(píng)價(jià)體系對(duì)兩種結(jié)構(gòu)出料三通進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定可知，兩者在高壓力、大流量工況下皆能滿足強(qiáng)度要求，而對(duì)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(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》編寫(xiě)組.活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

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

[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，2002.

作者簡(jiǎn)介：王少華（1970-），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，工程師，主要從事機(jī)械裝備工藝設(shè)計(jì)研究工作，中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司設(shè)計(jì)研究所工藝設(shè)計(jì)人員。