武 偉 李 明

（1.中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144；2.沈陽格瑞德泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110324）

1 概述

雙缸雙作用隔膜泵作為煤化工行業(yè)固液兩相流體輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其動力端主要由主動軸、偏心輪、連桿、活塞桿及十字頭等關(guān)鍵部件所組成。其中，活塞桿與十字頭通過連接法蘭相連接，連接法蘭的裝配接觸面隨隔膜泵活塞桿的往復(fù)運動承受方向相反的交變載荷，該法蘭為非標(biāo)準(zhǔn)件，且為動力端易損件之一。設(shè)計連接法蘭的關(guān)鍵因素在于既要保證充足的扳手空間以便于動力端關(guān)鍵部件的裝配，又應(yīng)使其滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致法蘭在隔膜泵現(xiàn)場運行中發(fā)生疲勞破壞。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對三種不同結(jié)構(gòu)的連接法蘭進(jìn)行強度分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行評價。通過對比分析確定扳手空間最大、應(yīng)力分布最佳的結(jié)構(gòu)形式。其分析方法與結(jié)論對相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

2 隔膜泵動力端連接法蘭強度分析

2.1 幾何模型與邊界條件

雙缸雙作用隔膜泵動力端連接法蘭在隔膜泵動力端所處位置如圖2.1所示，圖中用箭頭標(biāo)示出活塞桿不同運動方向下連接法蘭所處的工況，由圖1可知，當(dāng)連接法蘭處于壓工況狀態(tài)下時，連接法蘭的承載面為法蘭與十字頭的裝配接觸面；當(dāng)連接法蘭處于拉工況狀態(tài)下時，連接法蘭的承載面為法蘭與連接螺母的裝配接觸面。

三種不同結(jié)構(gòu)動力端連接法蘭的關(guān)鍵尺寸如圖2所示（三種結(jié)構(gòu)分別記做a、定程度上增大了裝配位置處的扳手空間，結(jié)構(gòu)（c）與前兩種結(jié)構(gòu)相比不僅將圓角增大，同時縮短了法蘭的整體厚度。

圖1 雙缸雙作用隔膜泵動力端示意圖

表1 拉、壓工況下連接法蘭應(yīng)力分布匯總表

圖2 三種結(jié)構(gòu)連接法蘭示意圖

圖3 拉工況下連接法蘭邊界條件與載荷示意圖

圖4 壓工況下連接法蘭邊界條件與載荷示意圖

圖5 結(jié)構(gòu)（b）在拉工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

圖6 結(jié)構(gòu)（b）在壓工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

圖7 結(jié)構(gòu)（c）在拉工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

圖8 結(jié)構(gòu)（c）在壓工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

由于連接法蘭為對稱結(jié)構(gòu)，為降低計算規(guī)模，因此僅對1/2模型進(jìn)行分析。利用三維幾何建模軟件Solid Works建立動力端連接法蘭的幾何模型并以.SAT的格式導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中。采用ANSYS前處理模塊對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對易產(chǎn)生應(yīng)力集中的圓角位置進(jìn)行細(xì)化，共得到三維四面體單元10182個，節(jié)點9672個。根據(jù)動力端連接法蘭在隔膜泵實際運行過程中不同工況的受載情況定義邊界條件和載荷如下：在拉工況下，載荷作用于法蘭螺柱孔接觸表面上，對稱面施加對稱約束，孔內(nèi)表面施加徑向約束，右側(cè)凸臺表面施加軸向約束。而在壓工況下，作用力作用于法蘭與十字頭接觸表面上，對稱面施加對稱約束，孔內(nèi)表面施加徑向約束，左側(cè)凸臺表面施加軸向約束。拉、壓工況下的載荷與邊界條件示意圖分別如圖3和4所示。

2.2 計算仿真結(jié)果

通過提取ANSYS后處理結(jié)果匯總得到三種結(jié)構(gòu)動力端連接法蘭在拉、壓兩種不同工況下的最大應(yīng)力值和所在位置如表1所示。

對于兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)（b）和結(jié)構(gòu)（c）在拉、壓兩種工況下的應(yīng)力分布云圖如圖5～8所示。

由于此件為非標(biāo)準(zhǔn)件，因此其強度分析結(jié)果的評定通常由工作應(yīng)力與許用應(yīng)力之間的關(guān)系式來確定。工作應(yīng)力σc與許用應(yīng)力σp的一般關(guān)系式為：σc≤σp，其中工作應(yīng)力即為分析所得的最大應(yīng)力值，許用應(yīng)力根據(jù)制造連接法蘭的材料屬性來確定。制造法蘭的材質(zhì)為42CrMoA，其材料的許用用力為115.5MPa。由以上分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)（b）和結(jié)構(gòu)（c）均能滿足強度要求。

3 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對三種結(jié)構(gòu)的雙缸雙作用隔膜泵動力端連接法蘭進(jìn)行強度分析，并根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)件強度評定的相關(guān)準(zhǔn)則對分析結(jié)果進(jìn)行評價。綜合對比計算結(jié)果，得出結(jié)論如下:

（1）三種結(jié)構(gòu)的動力端連接螺母在拉工況下的最大應(yīng)力均位于與十字頭側(cè)接觸面附近的圓角位置；而在壓工況下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力均位于其與活塞桿接觸面附近圓角。

（2）結(jié)構(gòu)（b）與結(jié)構(gòu)（a）相比，增大了圓角值，在拉工況下的最大應(yīng)力從105.83MPa下降到83.85MPa，在壓工況下的最大應(yīng)力從85.73MPa下降到63.16MPa。這表明隨著圓角值的增大，在滿足裝配條件的情況下適當(dāng)增大圓角值可以起到降低應(yīng)力集中、改善應(yīng)力分布的作用。

（3）結(jié)構(gòu)（c）與結(jié)構(gòu)（a）和結(jié)構(gòu)（b）相比將整體法蘭厚度減薄5mm，達(dá)到了降低生產(chǎn)制造成本的目的經(jīng)強度校核評定其滿足要求，該種結(jié)構(gòu)在滿足扳手空間和強度要求的前提下制造成本最低，因此采用結(jié)構(gòu)（c）形式的動力端連接法蘭最為合理。

[1]《活塞式壓縮機設(shè)計》編寫組.活塞式壓縮機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1974.

[2]郁永章.容積式壓縮機[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.