大型隔膜泵活塞桿的輕量化設(shè)計(jì)與仿真研究

周立瑤 ,陳 揚(yáng) ,王琮越

(1.營(yíng)口理工學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,遼寧營(yíng)口 115014;2.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司,遼寧沈陽 110043;3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,遼寧沈陽 110866)

0 引言

隔膜泵是固-液兩相介質(zhì)的重要輸送設(shè)備,主要由動(dòng)力端、液力端、液壓控制系統(tǒng)等組成,具有流量大、壓力高、易損件壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于金屬礦山、煤化工等行業(yè)的漿體輸送環(huán)節(jié)。活塞桿是隔膜泵的重要零件,其兩側(cè)分別與活塞、介桿連接。隔膜泵工作過程中,隨著曲軸的旋轉(zhuǎn),連桿帶動(dòng)十字頭、介桿及活塞桿作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),并推動(dòng)液力端隔膜凹、凸運(yùn)動(dòng),使進(jìn)料閥、出料閥周期性開啟和關(guān)閉,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)料漿的輸送[1-3]。在大型隔膜泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),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(yán),引起活塞泄露,影響隔膜泵的工作效率,甚至造成設(shè)備運(yùn)行故障。因此,有必要對(duì)活塞桿進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)與研究。

近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隔膜泵活塞桿的設(shè)計(jì)開展了多項(xiàng)研究。張偉[4]基于ADINA 軟件對(duì)傳統(tǒng)高壓隔膜泵活塞桿進(jìn)行了應(yīng)力分析,利用規(guī)避二次應(yīng)力疊加的優(yōu)化方法,設(shè)計(jì)了大圓角式和手電筒式兩種新型活塞桿結(jié)構(gòu),并通過三種活塞桿的結(jié)果對(duì)比,得到了三種活塞桿結(jié)構(gòu)中的最合理方案。李文明[5]以某型號(hào)雙缸雙作用隔膜泵活塞桿為研究對(duì)象,利用ANSYS 軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析,得到了該活塞桿在拉、壓兩種工況下的應(yīng)力結(jié)果,通過計(jì)算其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度,找到了產(chǎn)生裂紋的原因,并以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。馮智睿[6]依據(jù)理論計(jì)算與有限元軟件仿真兩種方式,探究了隔膜泵活塞桿穩(wěn)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(xì)長(zhǎng)桿,因此對(duì)于中柔度活塞桿,應(yīng)利用泰特麥爾-雅辛斯基公式來進(jìn)行穩(wěn)定性校核;對(duì)于小柔度的活塞桿,應(yīng)按照靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度校核公式與小柔度桿件的穩(wěn)定性校核方法進(jìn)行零件校核,不需要進(jìn)行有限元屈曲分析。趙偉[7]針對(duì)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了改造后的實(shí)施效果評(píng)估,驗(yàn)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(jié)構(gòu)的對(duì)比分析或穩(wěn)定性分析,而對(duì)大型隔膜泵活塞桿的輕量化研究和利用正交試驗(yàn)法的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究較少。本文作者在分析隔膜泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了活塞桿的輕量化結(jié)構(gòu)方案,并基于正交試驗(yàn)法,分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型活塞桿最大等效應(yīng)力的影響,結(jié)合極差分析,確定了影響活塞桿最大等效應(yīng)力的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),為大型隔膜泵活塞桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。

1 隔膜泵活塞桿結(jié)構(gòu)分析

隔膜泵活塞桿的安裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示?；钊麠U的一端穿入活塞中,依靠側(cè)端面與活塞的接觸進(jìn)行軸向定位,并利用雙螺母進(jìn)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(cè)端面與介桿端面緊密貼合。在隔膜泵工作過程中,動(dòng)力端驅(qū)動(dòng)力通過介桿傳遞至活塞桿及活塞,使其做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)橡膠隔膜凹、凸運(yùn)動(dòng),將進(jìn)料閥、出料閥周期性開啟、關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)漿體的輸送。

圖1 活塞桿安裝結(jié)構(gòu)圖

2 活塞桿的輕量化設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)自重的最小化為目標(biāo)的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過輕量化,一方面可以降低設(shè)備的能耗,節(jié)約能源;另一方面減小對(duì)環(huán)境的污染,保護(hù)環(huán)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(zhì)、高強(qiáng)度的材料如鋁合金、鈦合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等代替普通金屬材料;②工藝輕量化。通過使用比現(xiàn)有材料更精細(xì)的加工減少材料的使用量,如激光焊接、液壓成形技術(shù)等;③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化。基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),借助有限元分析軟件,通過優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)尺寸和形狀,減小零部件體積,實(shí)現(xiàn)零部件輕量化[8-9]。

大型隔膜泵流量大、壓力高,活塞桿在設(shè)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(qiáng)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(shè)計(jì),故采用優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的方法對(duì)活塞桿進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2.2 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于活塞桿的重量主要來自于中間的大直徑段,兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)重量影響不明顯,且根據(jù)對(duì)隔膜泵運(yùn)行情況的調(diào)查,現(xiàn)有活塞桿與活塞及介桿的連接方式安全、可靠,如果結(jié)構(gòu)修改,將存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。故將活塞桿設(shè)計(jì)為三段式結(jié)構(gòu),保持兩端連接處結(jié)構(gòu)不變,中間部分進(jìn)行輕量化,如圖2 所示。其中,兩側(cè)為活塞芯連接體與介桿連接體,為實(shí)體結(jié)構(gòu),分別用于連接活塞芯、介桿;中間部分為空心的管式結(jié)構(gòu),在保障強(qiáng)度的前提下,降低其重量。

圖2 活塞桿結(jié)構(gòu)示意圖

3 活塞桿的有限元分析

3.1 幾何模型

以某型號(hào)隔膜泵活塞桿為研究對(duì)象,其設(shè)計(jì)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(shí),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(yùn)動(dòng)的慣性力;回程時(shí),僅受摩擦力和慣性力。為了便于有限元模型的創(chuàng)建與計(jì)算,做出如下假設(shè)。

1)由于活塞桿運(yùn)動(dòng)速度較慢,故假設(shè)慣性力為零。

2)由于密封圈與缸筒間的摩擦力相對(duì)于液壓油壓力很小,故假設(shè)摩擦力為零。

3)假設(shè)活塞桿的三個(gè)組成部分連接可靠,不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

因此,仿真過程首先將活塞桿的三個(gè)組成部分綁定為一體,模擬裝配后的狀態(tài),然后在與介桿連接的端面設(shè)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(shè)計(jì)壓力;A為缸筒內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的截面積。

3.3 分析結(jié)果

對(duì)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(shí)使用靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度兩種方式進(jìn)行零件強(qiáng)度校核,經(jīng)驗(yàn)公式見式(2)～(3)[10]。

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

在有限元分析軟件中,Von Mises 等效應(yīng)力遵循材料力學(xué)的第四強(qiáng)度理論,用應(yīng)力等值線來表示計(jì)算模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況,能夠清晰的描述出應(yīng)力在整個(gè)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(xiǎn)區(qū)域,故本文采用Von Mises 等效應(yīng)力來評(píng)價(jià)活塞桿的安全性和可靠性,其最大值即為零件的最大應(yīng)力σmax。活塞桿有限元分析結(jié)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(yīng)力值最大,即此處最為危險(xiǎn)。

圖5 Von Mises 應(yīng)力云圖

4 基于正交試驗(yàn)法的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在探究多因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的過程中,相對(duì)于全面試驗(yàn)法,正交試驗(yàn)法通過選擇具有代表性的因素組合進(jìn)行試驗(yàn),可以減少試驗(yàn)次數(shù),提高效率。因此,選用正交試驗(yàn)法進(jìn)行活塞桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析。

4.1 方案設(shè)計(jì)

活塞桿參數(shù)化模型如圖2 所示,根據(jù)3.3 節(jié)活塞桿應(yīng)力分布的結(jié)果,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)以介桿連接體的縮頸處相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)為主,同時(shí)兼顧中間體內(nèi)徑,以考察中間體內(nèi)徑變化對(duì)過渡圓角A 處的應(yīng)力影響。因此選取了包括中間體內(nèi)徑在內(nèi)的5 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù),以最大等效應(yīng)力作為指標(biāo),對(duì)活塞桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。確定正交試驗(yàn)為5 因素4 水平試驗(yàn),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(nèi)徑,記為因素A、B、C、D、E?；钊麠U結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)的因素及水平如表1 所示,選取標(biāo)準(zhǔn)正交表L16(45)制定試驗(yàn)方案,各試驗(yàn)號(hào)的結(jié)構(gòu)參數(shù)值、重量及最大應(yīng)力如表2 所示。

表1 因素及水平

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

假設(shè)各因素相互獨(dú)立,根據(jù)L16(45)正交表格的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,對(duì)每一因素在各水平下的最大應(yīng)力求平均值,繪制出最大應(yīng)力與各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)活塞桿最大等效應(yīng)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(yīng)力呈下降趨勢(shì),降幅明顯,這是由于圓角半徑A的大小與此處應(yīng)力集中系數(shù)相關(guān),圓角半徑A越大,應(yīng)力集中越不明顯;隨著中間體內(nèi)徑E的增加,最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì),這是由于內(nèi)徑值與活塞桿截面積相關(guān),內(nèi)徑越大,截面積越小,應(yīng)力就越大;而傾角B與圓角半徑C對(duì)最大應(yīng)力值影響不明顯。

4.2.2 極差分析

為了確定各因素對(duì)最大應(yīng)力值的影響次序,通過計(jì)算各因素在不同水平試驗(yàn)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(yīng)力平均值。

計(jì)算結(jié)果如表3 所示,可以看出,影響最大等效應(yīng)力的主次順序?yàn)镈＞A＞E＞B＞C。即縮頸直徑D、圓角半徑A對(duì)活塞桿最大等效應(yīng)力的影響最大,傾角B、圓角半徑C與中間體內(nèi)徑E對(duì)應(yīng)力值幾乎沒有影響。

表3 各因素極差

5 結(jié)論

1)根據(jù)大型隔膜泵工作原理,結(jié)合活塞桿安裝結(jié)構(gòu),制定了大型隔膜泵活塞桿的輕量化方案,設(shè)計(jì)了三段式輕量化活塞桿結(jié)構(gòu),通過將中間體設(shè)計(jì)為空心的方式,減小了零件重量,在保證零件強(qiáng)度,滿足使用需求的前提下,實(shí)現(xiàn)了活塞桿的輕量化。

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

3)基于正交試驗(yàn)法,對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的活塞桿進(jìn)行了有限元仿真分析。得到了圓角半徑、縮頸直徑等5 個(gè)參數(shù)對(duì)最大等效應(yīng)力的影響趨勢(shì),并通過極差分析,獲得了影響新型活塞桿最大等效應(yīng)力的主次因素,為大型隔膜泵活塞桿的輕量化設(shè)計(jì)提供了理論參考。