大型高壓隔膜泵雙頭螺柱的強度分析與結構優化

孫丹龍

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

大型高壓隔膜泵雙頭螺柱的強度分析與結構優化

孫丹龍

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

雙頭螺柱作為隔膜泵動力端及液力端裝配體中的主要連接零件，對隔膜泵整機安全性與運行效率有著重要的影響。本文應用大型有限元分析軟件ANSYS對兩種不同結構的雙頭螺柱進行強度計算與分析，經過對比得到滿足強度要求的最優形貌結構，其結論對大型高壓隔膜泵的相關零部件設計研發具有較強的指導意義。

大型高壓隔膜泵；高強雙頭螺柱；強度分析

0.前言

大型高壓隔膜泵作為能源化工行業中固-液兩相流體輸送的核心設備，其總體結構主要由動力端、液力端、液壓控制系統、電機減速機等關鍵部件組成。其中，作為連接各個部裝的雙頭螺柱，在高壓隔膜泵運行過程中主要承受較高的螺栓力載荷。該件的設計和制造不僅應嚴格參照緊固件相關標準，還應結合隔膜泵的具體使用環境、工況條件和裝配工藝流程等諸多因素。不僅要保證充足的裝配和拆卸空間以便于各關鍵部件的裝配，還應使其滿足結構強度的要求，從而避免產生應力集中而導致雙頭螺柱在大型隔膜泵現場運行中發生疲勞斷裂。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對兩種不同結構的雙頭螺柱進行強度分析，并對分析結果進行評價。通過對比研究確定應力集中程度最小、應力分布最佳的結構形式。其分析手段與計算結論對壓力容器類相關產品的設計研發具有較強的理論指導意義。

1.高強螺柱的強度分析

1.1 幾何模型與邊界條件

雙頭螺柱為M64×4，螺柱總長890mm，性能等級為10.9級，該螺柱有上下兩段縮頸，三維模型如圖1所示。由于雙頭螺柱為對稱結構，為方便計算，可對二分之一模型進行分析計算。利用三維建模軟件建立雙頭螺柱的三維幾何模型并以導入到有限元分析軟件中。利用ANSYS專用前處理模塊對三維幾何模型進行區域離散化，并對可能產生應力集中的圓角部位細化共劃分單元7503個，節點8029個。對螺柱底部施加位移約束，頂部施加螺栓力，載荷及約束如圖2所示，其中螺栓按照隔膜泵實際承壓值加載，預緊系數按1.8選取計算，可得到每個螺栓受力為611051.8N。

表1　雙頭螺柱各縮徑位置變形匯總表

表2　改進結構雙頭螺柱各段縮頸變形量

1.2 計算仿真結果

分析結果顯示，螺柱最大的軸向拉伸變形為1.2mm，最大等效應力為410MPa。其中各段縮頸變形量詳見表1，其應力分布云圖和變形分布云圖分別如圖3和圖4所示。

為了更好地改進雙頭螺柱的變形及應力等參數，現在螺柱長度、連接情況相同的基礎上對其結構形式進行改進。并利用相同的網格規模與邊界條件進行有限元分析，在原結構雙頭螺柱的下端長縮頸處以兩個較短縮頸代替，三維模型如圖5所示，分析結果如圖6所示與圖7所示。

分析結果顯示改進結構后的雙頭螺柱最大軸向拉伸變形為0.864mm，最大等效應力為378MPa。其中各段縮頸變形量詳見表2。

結論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對兩種結構的大型隔膜泵雙頭螺柱進行強度分析，并根據計算結果的對比，可得出結論如下：（1）兩種結構的雙頭螺柱在相同工況下的最大應力均位于縮徑位置處；最大變形均位于雙頭螺柱的受載端面。（2）兩種雙頭螺柱的分析結果對比可知，改進后的結構具有更好的應力分布和更小的應力集中，因此具有更好的使用效果與安全保障。

［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.

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