大型隔膜泵活塞桿的輕量化設計與仿真研究

周立瑤 ,陳 揚 ,王琮越

(1.營口理工學院機械與動力工程學院,遼寧營口 115014;2.沈陽儀表科學研究院有限公司,遼寧沈陽 110043;3.沈陽農業大學工程學院,遼寧沈陽 110866)

0 引言

隔膜泵是固-液兩相介質的重要輸送設備,主要由動力端、液力端、液壓控制系統等組成,具有流量大、壓力高、易損件壽命長等特點,廣泛應用于金屬礦山、煤化工等行業的漿體輸送環節。活塞桿是隔膜泵的重要零件,其兩側分別與活塞、介桿連接。隔膜泵工作過程中,隨著曲軸的旋轉,連桿帶動十字頭、介桿及活塞桿作直線往復運動,并推動液力端隔膜凹、凸運動,使進料閥、出料閥周期性開啟和關閉,進而實現料漿的輸送[1-3]。在大型隔膜泵結構設計時,活塞芯、活塞桿重量大,容易使活塞密封圈底部受力大,頂部密封不嚴,引起活塞泄露,影響隔膜泵的工作效率,甚至造成設備運行故障。因此,有必要對活塞桿進行輕量化設計與研究。

近年來,國內外學者針對隔膜泵活塞桿的設計開展了多項研究。張偉[4]基于ADINA 軟件對傳統高壓隔膜泵活塞桿進行了應力分析,利用規避二次應力疊加的優化方法,設計了大圓角式和手電筒式兩種新型活塞桿結構,并通過三種活塞桿的結果對比,得到了三種活塞桿結構中的最合理方案。李文明[5]以某型號雙缸雙作用隔膜泵活塞桿為研究對象,利用ANSYS 軟件對其進行有限元分析,得到了該活塞桿在拉、壓兩種工況下的應力結果,通過計算其靜強度和疲勞強度,找到了產生裂紋的原因,并以此結構為基礎,提出了結構改進方案。馮智睿[6]依據理論計算與有限元軟件仿真兩種方式,探究了隔膜泵活塞桿穩定性分析的合理方法:隔膜泵活塞桿一般為中小柔度桿,幾乎沒有細長桿,因此對于中柔度活塞桿,應利用泰特麥爾-雅辛斯基公式來進行穩定性校核;對于小柔度的活塞桿,應按照靜強度、疲勞強度校核公式與小柔度桿件的穩定性校核方法進行零件校核,不需要進行有限元屈曲分析。趙偉[7]針對氧化鋁用DPM1250-22 雙缸雙作用隔膜泵活塞桿與活塞接桿連接結構的斷裂問題,提出了將單螺紋連接改為法蘭連接的改造措施,并進行了改造后的實施效果評估,驗證了改造的可行性。

上述研究主要集中在隔膜泵活塞桿整體結構的對比分析或穩定性分析,而對大型隔膜泵活塞桿的輕量化研究和利用正交試驗法的結構參數研究較少。本文作者在分析隔膜泵結構特點的基礎上,提出了活塞桿的輕量化結構方案,并基于正交試驗法,分析了不同結構參數對新型活塞桿最大等效應力的影響,結合極差分析,確定了影響活塞桿最大等效應力的主要結構參數,為大型隔膜泵活塞桿的優化設計提供了理論參考。

1 隔膜泵活塞桿結構分析

隔膜泵活塞桿的安裝結構如圖1 所示。活塞桿的一端穿入活塞中,依靠側端面與活塞的接觸進行軸向定位,并利用雙螺母進行鎖緊;另一端頭部小圓柱體與介桿端部中心孔配合,起到安裝過程定位作用,并在卡箍的作用下,將側端面與介桿端面緊密貼合。在隔膜泵工作過程中,動力端驅動力通過介桿傳遞至活塞桿及活塞,使其做直線往復運動,進而帶動橡膠隔膜凹、凸運動,將進料閥、出料閥周期性開啟、關閉,實現漿體的輸送。

圖1 活塞桿安裝結構圖

2 活塞桿的輕量化設計

2.1 輕量化方案制定

零部件輕量化是以滿足壽命和可靠性要求為前提,實現自重的最小化為目標的一種優化設計。通過輕量化,一方面可以降低設備的能耗,節約能源;另一方面減小對環境的污染,保護環境。目前,零部件輕量化的途徑主要包括:①材料輕量化。利用輕質、高強度的材料如鋁合金、鈦合金、纖維增強復合材料等代替普通金屬材料;②工藝輕量化。通過使用比現有材料更精細的加工減少材料的使用量,如激光焊接、液壓成形技術等;③結構設計輕量化。基于設計經驗,借助有限元分析軟件,通過優化零部件結構尺寸和形狀,減小零部件體積,實現零部件輕量化[8-9]。

大型隔膜泵流量大、壓力高,活塞桿在設備工作過程中,主要承受來自于活塞端的壓縮載荷、自身重力等,需要保證足夠的疲勞強度和抗屈曲能力,材料輕量化與工藝輕量化均不適用于活塞桿的輕量化設計,故采用優化零部件結構的方法對活塞桿進行輕量化設計。

2.2 輕量化結構設計

由于活塞桿的重量主要來自于中間的大直徑段,兩側結構對重量影響不明顯,且根據對隔膜泵運行情況的調查,現有活塞桿與活塞及介桿的連接方式安全、可靠,如果結構修改,將存在一定的技術風險。故將活塞桿設計為三段式結構,保持兩端連接處結構不變,中間部分進行輕量化,如圖2 所示。其中,兩側為活塞芯連接體與介桿連接體,為實體結構,分別用于連接活塞芯、介桿;中間部分為空心的管式結構,在保障強度的前提下,降低其重量。

圖2 活塞桿結構示意圖

3 活塞桿的有限元分析

3.1 幾何模型

以某型號隔膜泵活塞桿為研究對象,其設計壓力為6 MPa,缸筒直徑為400 mm,活塞桿最大外圓直徑為140 mm,幾何模型如圖3 所示,各段材料均為合金鋼,密度ρ=7.9 g/cm3,彈性模量E=200 GPa,泊松比μ=0.3。

圖3 活塞桿幾何模型

3.2 載荷和邊界條件

隔膜泵工作過程中,沖程時,活塞桿及活塞需要承受液壓油的壓力、密封圈與缸筒之間的摩擦力、運動的慣性力;回程時,僅受摩擦力和慣性力。為了便于有限元模型的創建與計算,做出如下假設。

1)由于活塞桿運動速度較慢,故假設慣性力為零。

2)由于密封圈與缸筒間的摩擦力相對于液壓油壓力很小,故假設摩擦力為零。

3)假設活塞桿的三個組成部分連接可靠,不存在相對運動。

因此,仿真過程首先將活塞桿的三個組成部分綁定為一體,模擬裝配后的狀態,然后在與介桿連接的端面設置固定約束,在與活塞連接面添加集中力F(式(1)),有限元模型如圖4 所示。

圖4 有限元模型

式中:F為集中力;P為設計壓力;A為缸筒內徑對應的截面積。

3.3 分析結果

對于活塞桿來說,疲勞斷裂是其破壞的主要原因,隔膜泵活塞桿一般同時使用靜強度和疲勞強度兩種方式進行零件強度校核,經驗公式見式(2)～(3)[10]。

式中:S為靜強度安全系數;Sa為疲勞強度安全系數;σs為材料屈服強度;σmax為最大應力;σ-1為材料疲勞極限;σa為應力幅度;σm為平均應力;Kσ為應力集中系數;ε為尺寸系數;β為表面加工系數。

在有限元分析軟件中,Von Mises 等效應力遵循材料力學的第四強度理論,用應力等值線來表示計算模型內部的應力分布情況,能夠清晰的描述出應力在整個模型中的變化,從而使分析人員可以快速的判斷出模型中的最危險區域,故本文采用Von Mises 等效應力來評價活塞桿的安全性和可靠性,其最大值即為零件的最大應力σmax。活塞桿有限元分析結果如圖5 所示,可以看出,在介桿連接體的過渡圓角A 處的等效應力值最大,即此處最為危險。

圖5 Von Mises 應力云圖

4 基于正交試驗法的結構參數分析

在探究多因素對試驗結果影響的過程中,相對于全面試驗法,正交試驗法通過選擇具有代表性的因素組合進行試驗,可以減少試驗次數,提高效率。因此,選用正交試驗法進行活塞桿的結構參數分析。

4.1 方案設計

活塞桿參數化模型如圖2 所示,根據3.3 節活塞桿應力分布的結果,設計正交試驗時以介桿連接體的縮頸處相關結構參數為主,同時兼顧中間體內徑,以考察中間體內徑變化對過渡圓角A 處的應力影響。因此選取了包括中間體內徑在內的5 個結構參數,以最大等效應力作為指標,對活塞桿結構參數進行研究。確定正交試驗為5 因素4 水平試驗,5因素分別為圓角半徑1、傾角、圓角半徑2、縮頸直徑與中間體內徑,記為因素A、B、C、D、E。活塞桿結構參數正交試驗的因素及水平如表1 所示,選取標準正交表L16(45)制定試驗方案,各試驗號的結構參數值、重量及最大應力如表2 所示。

表1 因素及水平

表2 試驗方案及結果

4.2 結果分析

4.2.1 結構參數對最大等效應力的影響

假設各因素相互獨立,根據L16(45)正交表格的數值計算結果,對每一因素在各水平下的最大應力求平均值,繪制出最大應力與各個結構參數之間的關系曲線如圖6 所示。

圖6 結構參數對活塞桿最大等效應力的影響

由圖6 可知,隨著圓角半徑A與縮頸直徑D的增加,最大等效應力呈下降趨勢,降幅明顯,這是由于圓角半徑A的大小與此處應力集中系數相關,圓角半徑A越大,應力集中越不明顯;隨著中間體內徑E的增加,最大等效應力呈現緩慢的上升趨勢,這是由于內徑值與活塞桿截面積相關,內徑越大,截面積越小,應力就越大;而傾角B與圓角半徑C對最大應力值影響不明顯。

4.2.2 極差分析

為了確定各因素對最大應力值的影響次序,通過計算各因素在不同水平試驗組合下的最大平均值max(ki)與最小平均值min(ki)之差,得到各因素的極差R[11-15]。

式中:R為極差;ki為某因素在i水平下的應力平均值。

計算結果如表3 所示,可以看出,影響最大等效應力的主次順序為D＞A＞E＞B＞C。即縮頸直徑D、圓角半徑A對活塞桿最大等效應力的影響最大,傾角B、圓角半徑C與中間體內徑E對應力值幾乎沒有影響。

表3 各因素極差

5 結論

1)根據大型隔膜泵工作原理,結合活塞桿安裝結構,制定了大型隔膜泵活塞桿的輕量化方案,設計了三段式輕量化活塞桿結構,通過將中間體設計為空心的方式,減小了零件重量,在保證零件強度,滿足使用需求的前提下,實現了活塞桿的輕量化。

2)針對三段式輕量化活塞桿,以某型號隔膜泵為例,基于Solidworks 軟件平臺,通過幾何建模、網格劃分、約束和載荷施加等步驟,對其進行了有限元分析,得到了活塞桿的應力分布圖,明確了其最大應力位置。

3)基于正交試驗法,對不同結構參數的活塞桿進行了有限元仿真分析。得到了圓角半徑、縮頸直徑等5 個參數對最大等效應力的影響趨勢,并通過極差分析,獲得了影響新型活塞桿最大等效應力的主次因素,為大型隔膜泵活塞桿的輕量化設計提供了理論參考。