大型隔膜泵介桿有限元分析方法的改進

王維娜

摘 要：介桿是大型隔膜泵動力端的關鍵部件之一。在隔膜泵的設計過程中，應根據其實際所受載荷對介桿進行靜強度與疲勞強度分析，以確保介桿在隔膜泵運行過程中安全性。介桿的分析可分為單件與裝配體分析，傳統的介桿分析是進行單件靜強度分析計算，相比于裝配體，約束與加載方式對于介桿的分析結果影響較大，所得到的結果與真實情況可能存在偏差。因此，本文基于有限元軟件ADINA對介桿進行單件與裝配體分析，對比兩種分析方法的差異，驗證傳統分析方法的準確性，確定最優的隔膜泵介桿分析方法。

關鍵詞：隔膜泵；介桿；裝配體分析；ADINA

中圖分類號：TQ05 文獻標識碼：A

1 前言

大型隔膜泵作為固-液兩相介質輸送的核心設備，在冶金、石油化工和長距離管道輸送等領域得到了廣泛的應用。大型隔膜泵動力端主要由下箱體、曲軸、連桿、十字頭和介桿等關鍵部件所組成。其中，介桿與十字頭為法蘭連接，受結構影響，介桿的法蘭圓角在隔膜泵工作過程中應力較大，容易損壞。因此，為保證大型隔膜泵在用戶現場正常、穩定、安全的運行，在介桿的設計過程中應對其進行強度分析校核，以確保其強度滿足設計要求。傳統的介桿分析是進行單件靜強度分析計算，相比于裝配體，約束與加載方式對于介桿的分析結果影響較大，所得到的結果相比于真實情況偏大，造成設計浪費。為了節省設計成本，介桿分析采用更加接近實際工況的裝配體分析。本文采用有限元軟件ADINA對大型隔膜泵介桿（工況活塞力為175T）進行強度分析與校核，分別進行單件強度分析與裝配體強度分析。對比兩種分析方法的差別，優化分析設計方法，降低設計成本。

2 隔膜泵介桿靜強度分析

2.1 模型的建立與邊界條件

針對175T介桿采用有限元分析軟件ADINA進行單件與裝配體強度分析。介桿的三維模型如圖1所示。采用單件分析方法的網格劃分與邊界條件添加如圖2所示。根據三缸單作用隔膜泵介桿的受力關系，將與活塞桿接觸面上施加全約束，于介桿的法蘭面上添加壓強邊界，壓力大小為175T。

改進分析方法，采用裝配體分析的網格劃分與邊界條件添加如圖3所示。如圖3所示，介桿與圓環面面接觸，圓環起到與十字頭相同的作用，于圓環面添加壓強邊界，壓力大小為175T，將與活塞桿接觸面上施加全約束。

2.2 兩種結構的結果分析

通過兩種分析方法得出的分析結果如圖4所示。圖4為單件強度分析方法的位移云圖，圖5為單件強度分析方法的應力云圖，介桿的最大應力位于法蘭圓角處，最大應力為157.8MPa，最大位移為0.216mm。

圖6和圖7為采用裝配體分析的位移云圖和應力云圖，改進分析算法后，介桿的最大應力同樣位于法蘭圓角處，但最大應力為140MPa，介桿的最大位移為0.203mm。

兩種分析方法的最大應力和安全系數匯總見表1。

結語

通過以上分析可以看出，介桿的單件計算得到的應力比裝配體分析的應力大很多，靜強度安全系數與疲勞強度安全系數均有較大差距，分析其原因，由位移云圖可以看出，采用單件分析的介桿法蘭外邊緣的變形量較大，究其原因是由于作用力引起的外邊緣的撓度大于法蘭內側，因此法蘭根部圓角應力較大。強度校核原則為安全系數大于許用安全系數，因此，由于采用裝配體進行的分析安全系數較大，可以在介桿的設計過程中減小設計尺寸，從而降低介桿的生產成本。

參 考 文 獻

[1] 赫爾姆特·舒爾茨. 泵原理、計算與結構[M].北京：機械工業出版社， 1991.

[2] 馬野，袁志丹，曹金鳳. ADINA有限元經典實例分析[M]. 北京：機械工業出版社， 2011.

[3] ADINA Theory and Modeling Guide Volume I： ADINA Solid & Structures Model Definition， June 2010， ADINA R&D， Inc.

[4] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社， 2007.