雙缸雙作用隔膜泵動力端連接法蘭的結構優化與強度分析

武 偉 李 明

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

1 概述

雙缸雙作用隔膜泵作為煤化工行業固液兩相流體輸送的關鍵設備，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運動承受方向相反的交變載荷，該法蘭為非標準件，且為動力端易損件之一。設計連接法蘭的關鍵因素在于既要保證充足的扳手空間以便于動力端關鍵部件的裝配，又應使其滿足結構強度的要求，避免產生應力集中而導致法蘭在隔膜泵現場運行中發生疲勞破壞。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對三種不同結構的連接法蘭進行強度分析，并對分析結果進行評價。通過對比分析確定扳手空間最大、應力分布最佳的結構形式。其分析方法與結論對相關產品的設計與研發具有一定的理論指導意義。

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，當連接法蘭處于壓工況狀態下時，連接法蘭的承載面為法蘭與十字頭的裝配接觸面；當連接法蘭處于拉工況狀態下時，連接法蘭的承載面為法蘭與連接螺母的裝配接觸面。

三種不同結構動力端連接法蘭的關鍵尺寸如圖2所示（三種結構分別記做a、定程度上增大了裝配位置處的扳手空間，結構（c）與前兩種結構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力分布匯總表

圖2 三種結構連接法蘭示意圖

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 結構（b）在拉工況下連接法蘭應力分布云圖

圖6 結構（b）在壓工況下連接法蘭應力分布云圖

圖7 結構（c）在拉工況下連接法蘭應力分布云圖

圖8 結構（c）在壓工況下連接法蘭應力分布云圖

由于連接法蘭為對稱結構，為降低計算規模，因此僅對1/2模型進行分析。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的格式導入有限元分析軟件ANSYS中。采用ANSYS前處理模塊對幾何模型進行網格劃分，對易產生應力集中的圓角位置進行細化，共得到三維四面體單元10182個，節點9672個。根據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，孔內表面施加徑向約束，右側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，孔內表面施加徑向約束，左側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 計算仿真結果

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

對于兩種改進結構（b）和結構（c）在拉、壓兩種工況下的應力分布云圖如圖5～8所示。

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

3 結論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對三種結構的雙缸雙作用隔膜泵動力端連接法蘭進行強度分析，并根據非標準件強度評定的相關準則對分析結果進行評價。綜合對比計算結果，得出結論如下:

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

（2）結構（b）與結構（a）相比，增大了圓角值，在拉工況下的最大應力從105.83MPa下降到83.85MPa，在壓工況下的最大應力從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增大圓角值可以起到降低應力集中、改善應力分布的作用。

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

[1]《活塞式壓縮機設計》編寫組.活塞式壓縮機設計[M].北京：機械工業出版社，1974.

[2]郁永章.容積式壓縮機[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.