基于有限單元法的隔膜泵曲軸強度分析

于立生張立華

（中國有色(沈陽)泵業有限公司）

基于有限單元法的隔膜泵曲軸強度分析

于立生*張立華

（中國有色(沈陽)泵業有限公司）

以某隔膜泵動力端曲軸為研究對象，以ANSYS軟件為平臺，采用有限單元法進行強度分析，并對可能出現的鑄造缺陷提出相應的處理措施。

隔膜泵曲軸強度分析有限單元法鑄造缺陷結構

隔膜泵作為流體介質輸運系統的關鍵核心設備，在鋼鐵冶金、石油化工、長距離管道輸送、煤化工和環保水處理等領域均獲得了日益廣泛的應用。隔膜泵動力端包括的主要部件有曲軸與連桿、十字頭與介桿、箱體及緊固件等。其中，大型三拐曲軸與連桿相裝配組成曲柄-連桿裝配體，成為整個隔膜泵動力端的動力源部件。在實際工況下曲軸受到連桿力的反向余弦力作用，在曲拐圓角處容易產生應力集中。因此在動力端的設計過程中，應根據實際運行邊界條件對曲軸進行強度分析和結果評價，以確保三拐曲軸的使用安全性和連續運轉率。本文以大型有限元分析軟件ANSYS為平臺，采用有限單元法對曲軸在不同轉角下(300°與240°兩大危險工況)的第二拐和第三拐進行強度分析，并對可能出現的鑄造缺陷進行預估與分析，對曲軸結構的改進提出了可行性措施。

1 三拐曲軸的強度分析

1.1 三拐曲軸的材料與結構

曲軸材料為42CrMoA（電渣熔鑄），調質處理，材料機械性能為σb=760 MPa，σs=420 MPa，σ-1=269.7 MPa，連桿力按照7.5×105N進行計算。曲軸結構如圖1所示。

1.2 三拐曲軸轉角為300°工況時強度分析

三拐曲軸在第一拐轉角為300°工況下，第二拐圓角處應力值最大。有限元邊界條件如圖2所示，連桿力按余弦曲線分布規律以分布力方式施加于第二、三拐連桿與曲軸的連接面上；輸入端施加周向約束；在兩端兩個軸承支撐部位沿徑向施加約束，并在輸出端施加軸向約束；中間兩處軸承支撐部位建立接觸單元CONTAC52，施加徑向約束，并考慮支撐間隙為0.175 mm；圓角處單元大小約為20 mm，整體單元大小為50 mm，共劃分單元108 105個，節點25 385個。連桿力按轉角300°工況施加于第二、三拐，其應力與變形分別如圖3和圖4所示。

圖1 隔膜泵動力端三拐曲軸幾何模型

圖2 三拐曲軸邊界條件圖

圖3 轉角為300°工況時應力分布云圖

圖4 轉角為300°工況時變形分布云圖

1.3 三拐曲軸轉角為240°工況時強度分析

連桿力按轉角為240°工況施加于第二、三拐時，其應力與變形分別如圖5和圖6所示。

圖5 轉角為240°工況時應力分布云圖

圖6 轉角為240°工況時變形分布云圖

2 結論

本文采用有限單元法對隔膜泵曲軸進行強度分析，得到如下結論。

（1）曲軸的最大應力值一般出現在圓角處，因此對圓角上任何缺陷都要認真分析，以避免極限狀態下失效斷裂。為分析圓角處缺陷可能造成的最大影響，可在應力最大的圓角中間位置添加一個凹坑并重新計算轉角300°工況下第二拐子模型的強度。在幾何模型處理時，建議使倒角表面平滑過渡。

（2）曲軸第三拐曲臂子模型最大應力為47.06 MPa，第二拐子模型最大應力為51.33 MPa，曲軸缺陷修復后的靜強度、疲勞強度都滿足要求。

（3）由于第二拐缺陷出現在敏感位置，于是又進行了多次分析，在極限狀態下其應力值達到72.72 MPa，且為奇異值。對于這樣的缺陷要慎重處理，修補時應保證表面光滑、過渡平順。

Strength Analysis of Diaphragm Pump Crankshaft Based on Finite Element Method

Yu LishengZhang Lihua

Taking the crankshaft of the power end of a diaphragm pump as the research object,the strength analysis is carried out by using the finite element method on the ANSYS software platform,and the corresponding treatment measures are put forward for the possible casting defects.

Diaphragm pump;Crankshaft;Strength analysis;Finite element method;Casting defect;Structure

TH 323

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.007

2016-10-13）

*于立生，男，1980年生，工程師。沈陽市，110144。