大型隔膜泵十字头滑板与导板的热力耦合分析

（中国有色(沈阳)泵业有限公司设计研究所，辽宁沈阳 110141）

1.概述

隔膜泵是长距离管道化输送固液两相介质的核心设备。隔膜泵中曲柄连杆机构的作用是把原动机的旋转运动转化为活塞的往复运动，同时把原动机的机械能传给所输送的液体。连杆与十字头通过销轴轴承连接支撑，按偏心距推动十字头、介杆、活塞杆做往复直线运动。十字头在导板中滑动，需要充足的冷却润滑液保证十字头良好工作【1】，其滑板与导板相互摩擦，产生热量，使滑板、导板表面温度升高。若滑板温度升高过快，会引起十字头与滑板的材质结构变化，从而引起擦伤的出现 [2～6]。因此，对十字头滑板与导板的摩擦过程进行热力耦合的研究显得十分重要。

由于接触表面的最高温度在接触处瞬时形成的闪现温升,接触位置又时刻发生变化,因此,依靠传统的解析方法很难得到精确的温度场分布，而采用有限元法却能够有效地解决温度场的计算问题[7]。本文利用大型有限元软件 ADINA，分析十字头运动过程中，滑板与导板受摩擦热和力场的耦合作用下，接触区域的局部温度变化及应力变化等特性。

2 热分析的基本假设

由于十字头装配的结构和受力均对称，所以采用一半模型进行分析。建立如图1 所示的承受120T 活塞力的十字头装配三维模型，对十字头装配在多体动力学分析的基础上进行热力耦合分析。

分析过程中，为了使问题易于处理，但不失去其意义，做出以下假设：

(1)忽略泄漏所带走的摩擦热；

(2)无辐射散热，接合过程中产生的热量全部用于滑板、导板温升。

(3)导热过程仅与时间有关，不考虑温升等因素导致的材料导热系数变化的影响。

(4)十字头的运动通过简化为beam 单元的曲轴、连杆、销轴的运动转化。

3 有限元建模分析

3.1 有限元模型及网格划分

十字头、滑板、导板与左中右导板座采用3-D Solid 单元，曲柄、连杆和销轴采用Beam 单元，滑板下表面与导板上表面采用3-D 接触类型。设置环境温度为20。设置TMC 分析时，选择双向耦合 [8]。对十字头、左、中、右导板座进行四面体网格划分，单元大小为25mm，共划分6065 个节点，23534 个单元；对下滑板、导板进行六面体网格划分，单元大小为30mm，共划分3690 个节点，2240 个单元。划分后的模型如图2 所示。

3.2 边界条件

图1 十字头装配模型示意图

图2 十字头运动有限元模型

图3 十字头运动有限元边界条件

图4 滑板上一个节点的温度-时间历程曲线

图5 滑板与导板温度分布云图

图6 滑板与导板应力分布云图

十字头运动摩擦生热分析的边界条件为：导板座与下导板之间通过共节点绑定，下滑板与十字头之间通过共节点绑定，下滑板与下导板之间做面-面接触对。对十字头装配体的对称面施加对称约束，左、中、右导板座底部进行全约束；去程十字头左端面施加活塞力 的，回程施加活塞力 ；对曲柄销施加转动速度 ，曲柄销、连杆和销轴之间通过约束方程作用，销轴的端点通过刚性连接对十字头孔作用，十字头运动摩擦生热的有限元模型边界条件如图3 所示。

4 计算结果与分析

滑板与导板的滑动摩擦过程中,由于摩擦的非线性接触,因此施加的载荷需要用较小的时间步和精确的加载历程，对其进行运行2 转的分析。

图4 是滑板上某个节点的温度-时间历程曲线，由图4 可知，在去程时温度逐渐上升，回程时温度几乎保持不变；图5、图6 是曲柄销运行2 转后滑板与导板的温度云图及应力云图。由图5、6 可知，滑板、导板摩擦应力强度最大值分布在接触面对称面处。

结语

（1）采用有限元分析方法，对十字头运动过程中滑板与导板的热力耦合进行分析，得到接触面的温度分布、应力分布以及最高温度的变化趋势，为研究十字头滑板、导板材料表面损伤机制提供依据；

（2）在滑动摩擦过程中,最高温度在接触面中线并向外扩展,温度从接触面向四周呈递减趋势；

（3）该热力耦合分析为隔膜泵中冷却油量的确定提供了一些理论依据。

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