基于ADINA的大型隔膜泵活塞桿的優化設計

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110141）

基于ADINA的大型隔膜泵活塞桿的優化設計

張 偉

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110141）

活塞桿是長距離管道輸送用大型隔膜泵液力端的關鍵部件之一，活塞桿作為隔膜泵中連接動力端和液力端的關鍵部件，主要用于將隔膜泵動力端的動力傳遞給液力端，使油缸里的液壓油推動隔膜往復運動。在它的設計過程中應根據隔膜泵動力端的實際工況對其進行應力分析與強度校核。本文利用有限元分析軟件ADINA對大型高壓隔膜泵活塞桿進行應力分析。并在此基礎上，采用規避二次應力疊加的設計方法，設計新的活塞桿結構并進行應力分析，獲得了一種既降低了應力水平又減少重量的活塞桿結構。

隔膜泵；液力端；活塞桿；應力分析；優化

近年來工業中將固體物料制成高濃度漿體進行多相流管道輸送逐漸成為了迅速發展起來的新型運輸方式，它已被廣泛地應用于各個部門，如化學工業中物料的水力輸送、水利工程的港口疏浚和河道治理、火力發電廠的廢渣輸送、采礦工程的水力開采和水砂充填、選礦廠精礦和尾礦的輸送等。隔膜泵作為固-液兩相介質輸送的核心設備，在煤化工和氧化鋁等領域日益得到廣泛的應用。隔膜泵動力端主要由曲軸、連桿、十字頭和介桿等關鍵件組成。其中，液力端的活塞桿通過卡箍與動力端的介桿連接，保證動力端動力穩定輸出到液力端?；钊麠U在傳遞動力過程中受到持續的大噸位載荷，有時會在其圓角處產生較大的應力集中，導致在正常的工作條件下，該處也極易達到屈服。為了設計既安全可靠又經濟合理，需對活塞桿進行應力分析并進行優化設計。

本文采用三維建模程序SolidWorks和通用有限元分析程序ADINA，建立了活塞桿三維幾何模型并進行應力分析和強度校核，同時對活塞桿進行了減重優化設計。

1 活塞桿優化設計

三種活塞桿（軸對稱結構形式）結構模型如圖1所示。分別對三種活塞桿結構進行有限元分析和強度校核。

1.1 第一種活塞桿結構應力分析

對第一種活塞桿結構進行應力分析，活塞桿網格劃分采用四節點四面體單元，由于活塞桿圓角（R10）具有應力集中，對此處網格進行細劃，活塞桿材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，材料屈服極限為550MPa。

邊界條件：約束活塞桿與介桿的接觸面，在活塞桿與活塞接觸面施加沿軸線方向的壓力，活塞桿幾何模型和有限元模型分別如圖2和圖3所示。

圖1 三種活塞桿幾何模型

表1 三種活塞桿計算結果對比

活塞桿的應力云圖如圖4所示。

1.2 第二種活塞桿結構應力分析

圖2 第一種活塞桿幾何模型

圖3 第一種活塞桿有限元模型

圖4 第一種活塞桿應力云圖

圖5 第二種活塞桿幾何模型

圖6 第二種活塞桿有限元模型

圖7 第二種活塞桿應力云圖

圖8 第三種活塞桿幾何模型

圖9 第三種活塞桿有限元模型

圖10 第三種活塞桿應力云圖

對第二種活塞桿結構進行應力分析，活塞桿的受力和邊界約束條件與第一種結構保持一致，活塞桿圓角處進行網格細化，第二種活塞桿結構的幾何模型和有限元模型如圖5和圖6所示。

活塞桿的應力云圖如圖7所示。

1.3 第三種活塞桿結構應力分析

對第三種活塞桿結構進行應力分析，活塞桿的受力和邊界約束條件與第一種、第二種結構保持一致，活塞桿圓角處進行網格細化，第三種活塞桿結構的幾何模型和有限元模型如圖8和圖9所示。

活塞桿的應力云圖如圖10所示。

2 活塞桿優化設計結果

將三種活塞桿結構計算應力結果匯總，包括了活塞桿最大節點應力、最大單元應力、最大應力位置及活塞桿的重量信息，見表1。

結語

（1）第一種結構是傳統活塞桿結構形式，可以看出該種設計不僅重量最重，而且活塞桿圓角處應力集中也最嚴重，最大應力達到了233.435MPa，

（2）第二種結構是在第一種設計基礎上的是改進設計，將卡箍處圓角半徑增大，使應力降低到171.197MPa，說明增大圓角有利于緩解應力集中。

（3）第三種結構采用一種手電筒形式，應力分布較均勻，并且卡箍圓角最大應力得到有效降低119.571MPa，而且其重量最輕，是三種結構中最合理的設計。

[1]郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA有限元經典實例分析[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2006.

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