基于ANSYS徑向柱塞泵泵體分析與優(yōu)化

[摘 要] 利用ANSYS軟件對泵體進行有限元靜力學分析，得出泵體應力最危險區(qū)域，面對應力值過大的現象，有針對性地提出改進措施。選用合適的數學模型進行泵體的結構優(yōu)化，經過結構優(yōu)化后泵體質量減少30 kg，外徑減少了20 mm，有限元分析結果應力值為6.8%，并且其應力值在許用范圍之內，驗證了泵體結構優(yōu)化理論的有效性和有限元分析的科學性，這為250 mL/r新型徑向柱塞泵的設計及優(yōu)化提供了科學的依據。

[關 鍵 詞] 有限元分析；靜力學分析；結構優(yōu)化

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）15-0056-02

250 mL/r新型徑向柱塞泵是一種大型軸配流的變量徑向柱塞泵，國內對于250 mL/r新型徑向柱塞泵研究起步較晚，目前趙婕等通過對高壓柱塞泵連桿結構的研究，提出一種適應額定壓力為35 MPa的連桿結構；黃天成等通過對柱塞泵泵頭的有限元分析，建立一種適合結構較復雜殼體部件的有限元方法，并驗證了該方法的合理性。

綜上所述，國內學者對徑向柱塞泵結構方面的研究做了大量工作，但其往往在有限元分析基礎上對泵體結構方面進一步優(yōu)化缺少考慮。因此，該文在徑向柱塞泵有限元方面研究的基礎上，提出徑向柱塞泵泵體結構優(yōu)化方案，并驗證了優(yōu)化方案的有效性，這為徑向柱塞泵的設計及優(yōu)化提供了科學的依據。

一、有限元的模型建立

（一）泵體模型建立

對定子和轉子結構尺寸方面，首要應該明確的是徑向柱塞泵的主要工作參數，泵體排量為250 mL/r，額定壓力為35 Mpa，額定轉速為2000 r/min，理論流量為400 ml/min。在考慮泵體工作環(huán)境和金屬熱工藝學理論基礎上，通過國家標準和實際需要確定滿足要求的新型徑向柱塞泵，由此確定了定子和轉子的內外徑分別為260 mm、350 mm、120 mm、230 mm。該文選用Solid Brick 8 node185單元作為泵體網格劃分的基本單元。因泵體受多方面力學沖擊，同時為了操作人員人身安全以及延長徑向柱塞泵泵體使用壽命，該文選用鑄鐵HT300作為泵體模型材料，其彈性模量為147 GPa，泊松比為0.3，密度為7520 kg/m3。

（二）邊界條件和載荷加載

徑向柱塞泵泵體主要承受來自四個方面的載荷，其中最主要的載荷是定子和轉子運動對泵體的碰撞力。在柱塞數為奇數的徑向柱塞泵中，處于高壓區(qū)與低壓區(qū)的柱塞數目并不相等，從柱塞往復運動規(guī)律易得出，當α≤？覬≤α+β區(qū)間時，處于高壓區(qū)的柱塞數目m=3或m=4時，因此定子受到柱塞組件來自在x，y方向的力分別為：

其中α為配流盤的偏置角，？覬為柱塞離開泵體軸線的偏移角度，β為相鄰柱塞之間的夾角，Z為柱塞數目，m為處于排油區(qū)柱塞數目，F1為單個柱塞對定子的沖擊力。

通過將泵體參數代入公式，計算出定子和轉子對泵體內腔的碰撞力Fymax為1.5×105N；高壓液壓油高速流動對泵體內腔表面的最大沖擊力為40 Mpa；做往復運動的柱塞對泵體的徑向竄動力Fx為6.8×103N。

（三）有限元分析結果

在選用ANSYS軟件作為泵體有限元分析工具時，泵體模型要經過前處理階段（模型建立、網格劃分、邊界約束和載荷加載）、求解階段（利用主菜單中Solve Current LS功能進行泵體的有限元分析過程）、后處理階段（查看泵體應力分布云圖）。

根據ANSYS軟件分析的泵體應力云圖可知，在泵體與柱塞配合處發(fā)生較大應力，最大應力值為203 Mpa，應力值較大的區(qū)域主要分布在泵體與柱塞連接區(qū)域范圍內，在泵體排油腔出口處應力值分布較均勻。造成這種現象的原因是柱塞往復運動頻率過高或者泵體徑向傳動量較大。為了有效降低泵體最大應力值，有必要加固泵體與機架的固定連接，進而減小由泵體本身共振效應帶來的徑向位移，同時降低柱塞往復運動頻率。

從有限元分析得出的泵體應力云圖可知，泵體應力值都呈環(huán)狀結構分布，從吸油口至排油口應力值呈遞增趨勢變化。根據泵體材料為鑄鐵HT300，查詢材料應力表格可知，其最大失效應力為300 Mpa，有限元分析得出泵體最大應力值為203 Mpa，遠遠小于300 Mpa，因此，泵體的強度和韌性都能滿足工作需要，并且在安全使用范圍內。

二、泵體結構優(yōu)化

經過首次利用有限元軟件對泵體進行靜力學分析，并結合泵體應力值分布情況可看出，泵體承受的應力值遠遠小于失效應力且變形量較小，其說明泵體在優(yōu)化方面具有較強的可塑性空間。從ANSYS軟件分析得出的應力云圖可總結出，在泵體與柱塞配合周圍區(qū)域以及排油腔內不易進行結構方面的優(yōu)化，因此，該文選擇在泵體壁厚以及軸向跨度方面進行有限元方面的優(yōu)化。

通過選用合適的數學模型，分別對泵體質量、外徑、壁厚、軸向跨度進行結構方面的優(yōu)化。優(yōu)化前后泵體參數對比，如下表所示：

根據ANSYS軟件分析結構優(yōu)化后泵體模型可知，其應力分布趨勢與首次進行泵體分析規(guī)律相一致，最大應力值為217 Mpa，與優(yōu)化前相比，最大應力值僅僅增加了6.8%，但泵體質量卻減少了14%，外徑減少了10%，考慮到模型重量和體積方面，該文的優(yōu)化方案具有一定的理論指導意義。由于柱塞做高速往復運動，其帶來的應力值過高現象未能得到改善，因此，在接下來的工作中有必要對泵體與機架的固定連接方面進行深入認真研究，有效改善泵體應力分布情況，進而減小泵體承受的最大應力值。對優(yōu)化后泵體有限元分析得到的最大應力值217 Mpa遠遠小于泵體材料最大失效應力值300 Mpa，其進一步驗證了該文有限元分析結果的合理性。

三、小結

1.對工程機械設備而言，有限元理論的應用為其飛速發(fā)展提供了新思路，該文從模型建立至模型有限元分析再到模型的有限元優(yōu)化，這一系列的應用既具有一定的理論指導意義，又具有較強的實踐指導意義。

2.泵體模型優(yōu)化后質量、外徑分別減少了14%、10%，最大應力值分別增加了6%、6.8%，并且其在泵體材料安全許用變形范圍內。泵體優(yōu)化后應變和應力值分布規(guī)律與優(yōu)化前相一致。這為新型徑向柱塞泵的設計及開發(fā)提供了科學的理論依據。

參考文獻：

[1]趙婕，賈躍虎，焦寶山.高壓徑向柱塞泵連桿的有限元分析[J].液壓氣動與密封，2014，16（2）：66-68.

[2]黃天成，周思柱，呂倫.柱塞泵泵頭體有限元分析及結構優(yōu)化[J].石油礦場機械，2008，37（10）：40-42.

[3]孫志慧.250mL/r新型徑向柱塞泵泵體結構優(yōu)化[D].太原：太原科技大學，2010.

[4]劉小紅.新型徑向柱塞泵動力學分析及變量控制研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2004.

[5]王先安.全自動液壓壓磚機有限元結構仿真及優(yōu)化[D].長沙：中南大學，2007.