大型隔膜泵動(dòng)力端曲軸三維裂紋仿真計(jì)算研究

陳 揚(yáng)

（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

1 隔膜泵基本工作原理介紹

隔膜泵作為近年些來普遍使用的一種較為理想的往復(fù)式泵，可輸送包括石油、城市污水、氧化鋁礦漿等各種工業(yè)料漿，隔膜泵與其他油隔離泵相比，具有結(jié)構(gòu)合理、液壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、運(yùn)行安全平穩(wěn)、噪聲低、操作維修方便、易損件使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)、并且有明顯的節(jié)能、節(jié)電、節(jié)備件消耗等優(yōu)勢(shì)，因而它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均非常顯著。具體原理如圖1所示，該大型隔膜泵為臥式三缸雙作用往復(fù)式隔膜泵，它是由動(dòng)力源（電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)）帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，使活塞桿、介桿及活塞作周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊倪\(yùn)動(dòng)通過推進(jìn)液（液壓油）使隔膜產(chǎn)生周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)隔膜向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，隔膜室下方的進(jìn)料閥開啟吸進(jìn)料漿，當(dāng)隔膜向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，隔膜室上方的排料閥打開將料漿排出。

圖1 隔膜泵原理圖

大型往復(fù)式活塞隔膜泵已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)管道化輸送的核心設(shè)備，例如在某些特殊工況，高磨蝕料漿的管道化輸送，隔膜泵是高效節(jié)能的理想設(shè)備，在冶金礦山、石油化工、氧化鋁、污水處理環(huán)保等行業(yè)被廣泛應(yīng)用，是傳統(tǒng)往復(fù)泵的更新?lián)Q代產(chǎn)品。但大型隔膜泵在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，三拐曲軸作為隔膜泵動(dòng)力端重量最大的關(guān)鍵件，其強(qiáng)度和安全性能是機(jī)械設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注的問題。為保證曲軸使用的安全性，應(yīng)對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估進(jìn)而做出結(jié)構(gòu)改進(jìn)的建議，該文利用有限元軟件對(duì)隔膜泵的關(guān)鍵件曲軸進(jìn)行靜力和裂紋分析，為隔膜泵的動(dòng)力端的進(jìn)一步設(shè)計(jì)、分析優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

2 曲軸強(qiáng)度分析

三拐曲軸是隔膜泵動(dòng)力端的關(guān)鍵件之一。三拐曲軸的材料為42CrMoA（電渣熔鑄），調(diào)質(zhì)處理，材料機(jī)械性能為σb=810 MPa，σs=624 MPa，σ-1=287 MPa。三拐曲軸的三維模型建立采用Solidworks來完成，將三維模型以.sat的格式導(dǎo)入有限元分析專用前處理軟件Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并以.cdb的格式導(dǎo)出到ANSYS中。Hypermesh作為有限元分析的專用前處理軟件，能夠?qū)Χ喾N有限元分析求解器進(jìn)行前處理，例如ANSYS、LS-DYNA、ADINA、Fluent等。該文中三拐曲軸前處理的網(wǎng)格形態(tài)為四面體，類型為實(shí)體單元solid45，網(wǎng)格整體宏觀尺寸為45mm，共計(jì)生成單元78801個(gè)，節(jié)點(diǎn)104454個(gè)。

在三拐曲軸的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)角為300°時(shí)為最危險(xiǎn)工況，因此計(jì)算曲軸一拐在300°工況下的強(qiáng)度，曲軸受到120t的連桿力。根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定中間支撐處軸承接觸間隙為0.25mm。連桿力按余弦曲線分布規(guī)律以分布力方式施加于連桿與曲軸的接觸面處。軸承支撐部分進(jìn)行徑向約束，端面中心點(diǎn)處施加軸向約束，保證三拐曲軸在靜強(qiáng)度分析過程中不發(fā)生移動(dòng)。曲軸的有限元計(jì)算模型及加載和邊界條件如圖2所示，分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 曲軸邊界條件圖

3 裂紋分析方法及計(jì)算結(jié)果

假設(shè)曲軸三拐曲臂左側(cè)內(nèi)部存在夾渣缺欠，其裂紋面設(shè)定為橢圓柱形，橢圓長(zhǎng)半軸a=4mm，橢圓短半軸為b=3.3mm，在曲軸的子模型（sub-model）上用ANSYS軟件的建模功能模擬裂紋的存在?；趯?shí)體建模的方法，而后在實(shí)體上對(duì)裂紋尖端位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即對(duì)裂紋的尖點(diǎn)位置進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化。具體實(shí)施步驟如下：1）首先建立不含裂紋的三拐曲軸實(shí)體模型。2）其次在裂紋或夾渣出現(xiàn)的位置創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)（key point），建立兩個(gè)重合的裂紋面，所在的曲線作為裂紋前緣線。3）將兩個(gè)裂紋面各自繞著中心軸線反向旋轉(zhuǎn)一個(gè)較小的角度（一般為15°或20°），該文中為15°，形成一個(gè)獨(dú)立的小體積單元，作為初始裂紋，該小體內(nèi)包括了角狀裂紋。4）對(duì)曲軸整體模型和初始裂紋進(jìn)行布爾運(yùn)算的差運(yùn)算，使第三步中所產(chǎn)生的小體積單元與三拐曲軸整體之間合并為一個(gè)整體。5）為了充分滿足曲軸裂紋前緣奇異性的計(jì)算要求，本課題在劃分網(wǎng)格時(shí)，首先利用Hypermesh對(duì)小體積單元的表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)每個(gè)小體積整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而得到含裂紋結(jié)構(gòu)的三拐曲軸的網(wǎng)格，單元類型為Solid45，局部單元尺寸為5 mm。6）對(duì)上述相應(yīng)的含裂紋的三拐曲軸模型分別進(jìn)行相同的操作，將含裂紋部分進(jìn)行特殊處理。在對(duì)該部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)該注意網(wǎng)格的尺寸盡可能小，保證網(wǎng)格疏密程度應(yīng)該盡量均勻，以此來滿足結(jié)果的精確性。7）對(duì)三拐曲軸的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。8）對(duì)曲軸的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載與計(jì)算，最終計(jì)算出含裂尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。圖4中給出了在該文計(jì)算方法下，夾渣裂紋經(jīng)加載以后的應(yīng)力圖。由此可以清楚地看出由該方法得出的宏觀結(jié)果。

4 結(jié)論

該文應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)大型隔膜泵三拐曲軸進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，并假定實(shí)體中存在裂紋，求解計(jì)算得到裂紋處的應(yīng)力分布云圖。從而得到隔膜泵動(dòng)力端三拐曲軸的應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋不擴(kuò)展安全系數(shù)和裂紋不斷裂安全系數(shù)。

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式可知：裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子如下：

圖3 曲軸應(yīng)力分布云圖

圖4 曲軸局部應(yīng)力分布云圖

綜合應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK如下：

式中，μ為疲勞比例系數(shù)。

曲軸材料的斷裂門檻值由

式中：KTH曲軸材料的斷裂門檻值；σmin為最小應(yīng)力值，σmax為最大應(yīng)力值。

則在這種條件下，裂紋不擴(kuò)展的安全系數(shù)為

裂紋不斷裂的安全系數(shù)：