基于ANSYS的高壓隔膜泵液力端關鍵件強度對比分析

2016-04-06 08:07:54張立華中國有色沈陽泵業有限公司遼寧沈陽110144

中國新技術新產品 2016年3期

張立華（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧沈陽 110144）

張立華
（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧沈陽 110144）

摘要：腔體和隔膜腔是大型高壓隔膜泵液力端的關鍵部件，也是重量最大的關鍵件。在隔膜泵的設計過程中，應依據其實際所受載荷對其進行強度分析，以確保隔膜泵運行過程中的安全性和可靠性。本文以大型高壓隔膜泵液力端腔體和隔膜腔為研究對象，采用有限元軟件ANSYS對其不同進行強度分析并對分析結果進行校核，以達到優化設計方案和和降低產品生產成本的目的，計算所得結果對于大型高壓隔膜泵的設計和研發均具有指導意義。

關鍵詞：隔膜泵；液力端強度對比分析

1　前言

大型高壓隔膜泵作為流體介質輸送的核心設備，在礦山冶金、石油、化工等諸多領域均得到了廣泛的應用。大型高壓隔膜泵的液力端主要由活塞缸體、隔膜腔、進出口閥箱及活塞等關鍵零部件所組成。液力端活塞缸體與隔膜腔處于流體的高壓交變載荷作用下，極容易產生疲勞破壞。因此，為確保高壓隔膜泵在用戶使用現場能夠正常、穩定運行，在液力端關鍵件的設計流程中應對其進行強度計算，并參照計算結論對結構進行修訂從而確定合理的幾何結構。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對高壓隔膜泵液力端隔膜腔及腔體（計算壓力37MPa）進行強度分析與校核，得出最大應力與產生位置等相關參數。以此作為對結構進行改進的理論依據，到優化結構、降低成本的目的，分析計算結論對于隔膜泵液力端各部件的設計與研發均具有理論指導意義。

2　隔膜腔有限元分析

2.1隔膜腔的幾何模型與邊界條件

幾何建模采用三維幾何建模軟件SolidWorks，得到高壓隔膜泵隔膜腔的三維幾何模型圖（如圖1所示）。材質為鍛鋼，具體機械性能如下：σs=345MPa，σb=590MPa，σ-1=215.05MPa。采用國際主流的大型有限元分析軟件ANSYS對隔膜腔進行有限元強度分析計算，并對其結構的機械強度進行計算與校核。

圖1　高壓隔膜泵隔膜腔幾何模型圖

模型的前處理采用專用ANSYS內置前處理模塊，為使計算規模下降并提高計算求解的效率，應對隔膜腔的幾何模型細節部分做適當的簡化處理，選取1/4對稱模型作為分析和研究的對象。具體邊界條件如下：各對稱表面加方向（法線方向）約束，內部承壓部分加載工作壓力。邊界條件詳如圖2所示。

圖2　高壓隔膜泵隔膜腔邊界條件圖

2.2隔膜腔的分析與校核

經ANSYS軟件有限元分析計算，得到了此大型高壓隔膜泵隔膜腔在高壓流體輸送過程中的應力分布云圖。如圖3所示，可知隔膜腔最大應力位于內腔相貫線位置，最大應力值為162.7MPa，圓角處應力值為93.4MPa。

圖3　高壓隔膜泵隔膜腔應力分布云圖

根據分析結果對此結構隔膜腔的靜強度和疲勞強度系數做強度評估與校核，其具體經驗公式如下：

靜強度安全性系數：

疲勞強度安全性系數

上述式中各參數的具體含義如下：S表示機械零件的靜強度安全系數；σs表示所使用材質的屈服強度；σmax表示所受最大應力值；Sa表示疲勞安全性系數；σ-1表示所用材料的疲勞極限；Kσ表示機械零件的應力集中系數；ε表示尺寸系數；β表示表面加工系數。

通過查詢機械設計手冊能夠獲得此件的應力集中系數值、尺寸系數值與表面加工系數值分別為1.2、0.9和0.86。將上述各參數代入經驗公式，通過計算可得隔膜腔的靜強度安全系數和疲勞安全系數分別為3.5和2.8，參照同類承壓部件的安全系數值（靜強度安全系數應為2～3，且疲勞安全系數應大于2.5）。可知隔膜腔的結構能夠滿足強度要求。