不同幾何特征對大型隔膜泵液力端隔膜腔靜強度影響研究

張恩龍 齊東杰 李文明 陳 揚 ,2

（1、中國有色(沈陽)泵業有限公司,遼寧 沈陽 110144 2、沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

1 概述

隔膜腔作為大型高壓隔膜泵液力端的關鍵件之一，其結構強度強度關系著隔膜泵液力端能否安全、穩定運行。隨著有限單元法及其商業化軟件在機械行業的不斷推廣和應用，現如今通常采用三維建模加靜強度分析的模式來確定其結構強度和安全性。以某工作壓力8MPa的隔膜腔為例，本文利用有限單元法研究了隔膜腔結構尺寸及形狀變化對強度的影響，為隔膜腔設計提供參考。

2 隔膜腔結構尺寸變化對應力的影響

2.1 隔膜腔與腔體連接處厚度變化對應力影響分析

以該隔膜腔（將隔膜腔與內膽做成一體）為研究對象，如圖1所示，利用ADINA軟件對隔膜腔進行分析；采用1/4模型進行分析，約束對稱面及隔膜腔與腔體法蘭連接端面；在隔膜腔與隔膜室蓋、隔膜腔與出料閥箱螺栓連接處施加螺栓力；在隔膜腔與礦漿接觸位置施加計算壓力。隔膜腔三維有限元分析幾何模型、網格模型分別如圖2和圖3所示。

圖1 修改尺寸前后的隔膜腔結構對比

圖2 隔膜腔幾何模型

圖3 隔膜腔有限元模型

圖4 隔膜腔應力云圖、位移云圖

當圖1中高亮尺寸為0.1 m時，隔膜腔的有限元模型及單元、節點應力云圖和位移云圖如4所示。

2.2 不同接口厚度尺寸隔膜腔的強度分析

首先對隔膜腔圖中淺色高亮尺寸不斷增大的情況下，分析隔膜腔隔膜頭圓角和冠線圓角處應力的變化。隔膜腔圖中淺色高亮尺寸由174mm減小為100mm，對應的應力變化如表1所示。

從表1中可以看出，隨著圖中淺色高亮尺寸減小，隔膜頭圓角和冠線圓角處的應力值不斷增大。

表1 隔膜腔不同尺寸對應的應力結果

3 隔膜腔不同外形結構對應力的影響

以外形結構如圖5所示、實際工作壓力為8MPa的隔膜腔為研究對象，改隔膜腔的外輪廓獲得了不同的隔膜腔結構（圖中淺色高亮尺寸為修改的尺寸），施加8MPa壓力，計算兩種結構隔膜頭圓角的應力，如表2所示。

圖5 隔膜腔外輪廓修改前后的模型圖

表2 隔膜腔應力對比分析

從表2看出，將外形修改后，增大了隔膜腔的質量，圓角處厚度有較大的增加，隔膜頭圓角處應力降低了，相對于質量的增加，應力的降低不明顯。

4 隔膜腔隔膜頭圓角尺寸對結構應力的影響

以不同隔膜頭部圓角半徑為研究對象，研究增大隔膜頭圓角半徑對隔膜腔應力的影響。

對圖6中淺色高亮顯示的隔膜頭圓角半徑由15mm以2mm為步長增加到30mm時，隔膜腔最大應力的變化，如表3所示。

圖6 隔膜頭圓角尺寸示意圖

表3 隔膜腔最大應力

由表3可以看出，隔膜頭圓角變化對隔膜頭圓角應力影響較大，隨著圓角半徑變大，應力顯著減小，在圓角半徑增大到25mm時，隔膜腔在其他尺寸不變的情況下，隔膜腔的疲勞安全系數達到合格要求。

5 結論

以現有的分析方法計算隔膜腔，可以看出隔膜腔隔膜頭圓角半徑大小對隔膜頭應力影響較敏感，因此在滿足其他使用要求的情況下，可盡量增大圓角半徑以降低應力。