雙介質并聯輸送裝置中分控機構的設計與有限元分析

李澤坤 沈鋮鋒 蔣超燕 童江波 賀 功

（衢州學院<機械工程學院>，浙江 衢州 324000）

0 引言

離心泵作為一種利用葉輪旋轉時產生的離心力來輸送液體的裝置，已廣泛應用于石油化工、航空航天、食品加工、污水處理等各大領域。針對現有的單臺離心泵或雙泵在工作過程中存在無法實現多介質同時輸送、輸出穩定性差、效率低和振動大等缺點，設計了一款能實現軸向力平衡和雙介質穩定輸送的新型離心泵輸送裝置，可以實現兩種介質的同時輸送。

雙介質并聯輸送裝置結構如圖1 所示，主要由電機、傳動機構、分控機構、離心泵和減振機構等組成，當雙介質并聯輸送裝置工作時， 電機將動力經聯軸器、傳動機構和分控機構傳遞到離心泵。 其中的分控機構是雙介質并聯輸送裝置的關鍵部件，對稱布置在傳動裝置兩側，分別連接一臺離心泵，用于控制離心泵的工作狀態，實現雙介質輸送，同時保證兩離心泵在高速運轉狀態，完全實現軸向力的平衡。

圖1 雙介質并聯輸送裝置的結構圖

1 分控機構的工作原理

分控機構內裝有牙嵌式離合器、 調節撥桿和雙節式限位器等部件，如圖2 所示。傳動機構的從動軸通過牙嵌式離合器與離心泵軸相連， 可以通過調節撥桿和分控彈簧直接控制傳動機構從動軸和離心泵軸的接合與分離，充分將聯軸器與離合器的功能結合在一起，因此該部件的受力情況比較復雜， 直接決定雙介質并聯輸送裝置的運行狀態。 當操縱調節撥桿向傳動機構側轉動時，牙嵌式離合器的可移動半離合器被斷開，預緊彈簧被壓縮，此時牙嵌式離合器處于分離狀態時，離心泵將處于停止狀態， 為平衡可移動半離合器上預緊彈簧力的作用， 需要將調節撥桿采用雙節式限位器進行自鎖。 調節撥桿在原位時，通過預緊彈簧力的作用，保證牙嵌式離合器處于接合狀態， 離心泵的泵軸與傳動機構的從動軸連接，離心泵處于運行狀態。

圖2 分控機構的結構圖

本文針對雙介質輸送裝置的虛擬樣機設計要求，對分控機構中的牙嵌式器、調節撥桿和雙節式限位器等主要部件進行有限元分析。 雙介質輸送裝置設計時，采用Solidworks 進行三維模型創建，本文直接采用Solidworks Simulation 進行有限元分析， 完成零件在真實工作環境中的承載情況分析驗證，校核工作強度使之滿足設計要求，縮短了樣機的試驗內容與設計返工修改的時間，也降低了制造成本。

2 分控機構的有限元分析

2.1 牙嵌式離合器有限元分析

牙嵌式離合器是分控機構的核心部件， 主要控制離心泵的運行和停止。 牙嵌式離合器由兩個端面上有牙的固定半離合器和移動半離合器組成。 固定半離合器固定在傳動機構的從動軸上， 移動半離合器用導向平鍵與離心泵軸連接， 并通過操縱調節撥桿使移動半離合器軸向移動， 起到接合和斷開的作用。 首先在Solidworks 環境下進行三維建模， 采用Solidworks Simulation 進行有限元分析，能夠有效實現數據共享和自動轉換。 在生成的集合模型上可以直接選擇材料屬性、劃分網格、添加約束和載荷并進行求解。

在Solidworks 環境下打開牙嵌式離合器的三維模型，點擊simulation 創建新算例，具體過程如下：（1）根據設計要求， 選擇牙嵌式離合器的材料為鑄造碳鋼，其密度ρ=7.8 g/cm3，泊松比μ=0.32，彈性模量E=200 GPa。 （2）根據牙嵌式離合器的位置與作用，設置移動半離合器為固定幾何體約束、固定半離合器為固定鉸鏈， 設置連接使兩個配套半離合器的牙相互接合，在連接選項中將兩個零件設置為零部件接觸；（3）根據牙嵌式離合器的運動關系，對固定半離合器添加約束力，力矩載荷大小為32.104 8 N·mm。 （4）網格劃分采用自由網格形式，且允許網格自由過渡，網格劃分后牙嵌式離合器的有限元模型如圖3 所示。在完成上述步驟的設置后，實現了對牙嵌式離合器的有限元模型構建，點擊“運行”圖標系統后自動進行有限元分析與計算，得到了牙嵌式離合器的應力、位移和應變分布云圖，如圖4 所示。

解算得到的牙嵌式離合器應力分布云圖如圖4（a）所示，可知在聯軸器接合處存在應力集中，最大值為158.4 MPa，而屈服力為248.2 MPa，屈服力遠大于最大應力值，具有較大的安全系數；牙嵌式離合器的位移分布云圖如圖4（b）所示，可知在工作工程中的形變量僅為0.02 mm， 遠遠小于牙嵌式離合器的牙高4 mm；應變分布云圖如圖4（c）所示，可知形變程度也比較小。由圖4 可得，該套牙嵌式離合器符合設計要求。

圖3 牙嵌離合器網格劃分圖

2.2 調節撥桿有限元分析

調節撥桿卡在牙嵌式離合器的環形槽上，其左右撥動可以使離合器進行分斷和結合。 主要受力點為U形撥桿面、前后的支撐軸和球形頭部。

調節撥桿的分析步驟與牙嵌式離合器一致。 選擇調節撥桿材料為合金鋼； 設置零件螺栓為固定幾何體約束、調節撥桿螺栓孔為固定鉸鏈、U 形撥桿面為彈性支撐。將撥桿各個零件設置為零部件接觸；對調節撥桿螺栓孔添加外部力矩載荷為1 307.8 N·mm。 采用自由網格形式。解算后得到調節撥桿的應力分布云圖、位移分布云圖和應變分布云圖，如圖5 所示。

圖4 牙嵌式離合器的應力、位移和應變分布云圖

通過調節撥桿的應力云圖可知， 在撥桿中間段存在應力集中， 最大值為336.5 MPa， 而屈服力為620.4 MPa，屈服力遠大于最大應力值，因此調節撥桿具有較大的安全系數； 觀察調節撥桿的位移分布云圖， 調節撥桿在工作工程中的形變量僅為0.06 mm；通過觀察調節撥桿的應變分布云圖，形變程度也比較小，因此該撥桿符合設計要求。

2.3 雙節式限位器有限元分析

雙節式限位器是用于撥桿的定位，防止離合器在分離的時候自復復位。 其主要受力點是內限位器、限位彈簧。雙節式限位器的強度分析步驟與牙嵌式離合器基本一致。

雙節式限位器材料的選擇為合金鋼； 設置限位器上端面為固定幾何體約束、兩個螺孔為固定鉸鏈、限位彈簧支撐面為彈性支撐。 將限位器各個零件設置為零部件接觸；由于是雙限位裝置，限位器將均分撥桿擠壓所產生力， 在受壓面添加一個外部力載荷為15 N，同時限位器裝置中的扭簧產生一個擠壓力為20 N。 完成外部載荷設置后，采用自由網格形式，解算得到雙節式限位器的應力分布云圖、位移分布云圖、應變分布云圖，如圖6 所示。

通過雙節式限位器的應力云圖可知，在內限位器中存在應力集中，屈服力遠大于其最大應力值，具有較大的安全系數；同時通過雙節式限位器的位移分布云圖和應變分布云圖，可知調節撥桿在工作工程中的形變量僅為0.01 mm，因此，該套雙節式限位器設計符合設計要求。

3 結語

通過Solidworks Simulation 軟件對分控機構的各部件進行有限元分析，模擬了分控機構在載荷作用下的位移變化和結構變形，驗證了各個重要部件結構的合理性，為雙介質并聯輸送裝置的樣機制作提供了有效借鑒依據，在理論上解決現有的離心泵輸送系統在工作過程中無法實現多介質同時輸送以及穩定輸出、無軸向力平衡等問題。

圖5 調節撥桿的應力、位移和應變分布云圖

圖6 雙節式限位器的應力、位移和應變分布云圖