雙缸雙作用隔膜泵動(dòng)力端連接法蘭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與強(qiáng)度分析

武 偉 李 明

（1.中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144；2.沈陽格瑞德泵業(yè)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(yè)固液兩相流體輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其動(dòng)力端主要由主動(dòng)軸、偏心輪、連桿、活塞桿及十字頭等關(guān)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(fù)運(yùn)動(dòng)承受方向相反的交變載荷，該法蘭為非標(biāo)準(zhǔn)件，且為動(dòng)力端易損件之一。設(shè)計(jì)連接法蘭的關(guān)鍵因素在于既要保證充足的扳手空間以便于動(dòng)力端關(guān)鍵部件的裝配，又應(yīng)使其滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致法蘭在隔膜泵現(xiàn)場運(yùn)行中發(fā)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(jié)構(gòu)的連接法蘭進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。通過對比分析確定扳手空間最大、應(yīng)力分布最佳的結(jié)構(gòu)形式。其分析方法與結(jié)論對相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

2 隔膜泵動(dòng)力端連接法蘭強(qiáng)度分析

2.1 幾何模型與邊界條件

雙缸雙作用隔膜泵動(dòng)力端連接法蘭在隔膜泵動(dòng)力端所處位置如圖2.1所示，圖中用箭頭標(biāo)示出活塞桿不同運(yùn)動(dòng)方向下連接法蘭所處的工況，由圖1可知，當(dāng)連接法蘭處于壓工況狀態(tài)下時(shí)，連接法蘭的承載面為法蘭與十字頭的裝配接觸面；當(dāng)連接法蘭處于拉工況狀態(tài)下時(shí)，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(jié)構(gòu)動(dòng)力端連接法蘭的關(guān)鍵尺寸如圖2所示（三種結(jié)構(gòu)分別記做a、定程度上增大了裝配位置處的扳手空間，結(jié)構(gòu)（c）與前兩種結(jié)構(gòu)相比不僅將圓角增大，同時(shí)縮短了法蘭的整體厚度。

圖1 雙缸雙作用隔膜泵動(dòng)力端示意圖

表1 拉、壓工況下連接法蘭應(yīng)力分布匯總表

圖2 三種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（b）在拉工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

圖6 結(jié)構(gòu)（b）在壓工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

圖7 結(jié)構(gòu)（c）在拉工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

圖8 結(jié)構(gòu)（c）在壓工況下連接法蘭應(yīng)力分布云圖

由于連接法蘭為對稱結(jié)構(gòu)，為降低計(jì)算規(guī)模，因此僅對1/2模型進(jìn)行分析。利用三維幾何建模軟件Solid Works建立動(dòng)力端連接法蘭的幾何模型并以.SAT的格式導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中。采用ANSYS前處理模塊對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對易產(chǎn)生應(yīng)力集中的圓角位置進(jìn)行細(xì)化，共得到三維四面體單元10182個(gè)，節(jié)點(diǎn)9672個(gè)。根據(jù)動(dòng)力端連接法蘭在隔膜泵實(shí)際運(yùn)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(nèi)表面施加徑向約束，右側(cè)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(nèi)表面施加徑向約束，左側(cè)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(jì)算仿真結(jié)果

通過提取ANSYS后處理結(jié)果匯總得到三種結(jié)構(gòu)動(dòng)力端連接法蘭在拉、壓兩種不同工況下的最大應(yīng)力值和所在位置如表1所示。

對于兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)（b）和結(jié)構(gòu)（c）在拉、壓兩種工況下的應(yīng)力分布云圖如圖5～8所示。

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

3 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對三種結(jié)構(gòu)的雙缸雙作用隔膜泵動(dòng)力端連接法蘭進(jìn)行強(qiáng)度分析，并根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)件強(qiáng)度評定的相關(guān)準(zhǔn)則對分析結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。綜合對比計(jì)算結(jié)果，得出結(jié)論如下:

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

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

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

[1]《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》編寫組.活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

[2]郁永章.容積式壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.