双缸双作用隔膜泵动力端连接法兰的结构优化与强度分析

2013-11-16武伟李明

中国新技术新产品 2013年19期

武伟李明

（1.中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳 110144；2.沈阳格瑞德泵业有限公司，辽宁沈阳 110324）

1 概述

双缸双作用隔膜泵作为煤化工行业固液两相流体输送的关键设备，其动力端主要由主动轴、偏心轮、连杆、活塞杆及十字头等关键部件所组成。其中，活塞杆与十字头通过连接法兰相连接，连接法兰的装配接触面随隔膜泵活塞杆的往复运动承受方向相反的交变载荷，该法兰为非标准件，且为动力端易损件之一。设计连接法兰的关键因素在于既要保证充足的扳手空间以便于动力端关键部件的装配，又应使其满足结构强度的要求，避免产生应力集中而导致法兰在隔膜泵现场运行中发生疲劳破坏。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对三种不同结构的连接法兰进行强度分析，并对分析结果进行评价。通过对比分析确定扳手空间最大、应力分布最佳的结构形式。其分析方法与结论对相关产品的设计与研发具有一定的理论指导意义。

2 隔膜泵动力端连接法兰强度分析

2.1 几何模型与边界条件

双缸双作用隔膜泵动力端连接法兰在隔膜泵动力端所处位置如图2.1所示，图中用箭头标示出活塞杆不同运动方向下连接法兰所处的工况，由图1可知，当连接法兰处于压工况状态下时，连接法兰的承载面为法兰与十字头的装配接触面；当连接法兰处于拉工况状态下时，连接法兰的承载面为法兰与连接螺母的装配接触面。

三种不同结构动力端连接法兰的关键尺寸如图2所示（三种结构分别记做a、定程度上增大了装配位置处的扳手空间，结构（c）与前两种结构相比不仅将圆角增大，同时缩短了法兰的整体厚度。

图1 双缸双作用隔膜泵动力端示意图

表1 拉、压工况下连接法兰应力分布汇总表

图2 三种结构连接法兰示意图

图3 拉工况下连接法兰边界条件与载荷示意图

图4 压工况下连接法兰边界条件与载荷示意图

图5 结构（b）在拉工况下连接法兰应力分布云图

图6 结构（b）在压工况下连接法兰应力分布云图

图7 结构（c）在拉工况下连接法兰应力分布云图

图8 结构（c）在压工况下连接法兰应力分布云图

由于连接法兰为对称结构，为降低计算规模，因此仅对1/2模型进行分析。利用三维几何建模软件Solid Works建立动力端连接法兰的几何模型并以.SAT的格式导入有限元分析软件ANSYS中。采用ANSYS前处理模块对几何模型进行网格划分，对易产生应力集中的圆角位置进行细化，共得到三维四面体单元10182个，节点9672个。根据动力端连接法兰在隔膜泵实际运行过程中不同工况的受载情况定义边界条件和载荷如下：在拉工况下，载荷作用于法兰螺柱孔接触表面上，对称面施加对称约束，孔内表面施加径向约束，右侧凸台表面施加轴向约束。而在压工况下，作用力作用于法兰与十字头接触表面上，对称面施加对称约束，孔内表面施加径向约束，左侧凸台表面施加轴向约束。拉、压工况下的载荷与边界条件示意图分别如图3和4所示。

2.2 计算仿真结果

通过提取ANSYS后处理结果汇总得到三种结构动力端连接法兰在拉、压两种不同工况下的最大应力值和所在位置如表1所示。

对于两种改进结构（b）和结构（c）在拉、压两种工况下的应力分布云图如图5～8所示。

由于此件为非标准件，因此其强度分析结果的评定通常由工作应力与许用应力之间的关系式来确定。工作应力σc与许用应力σp的一般关系式为：σc≤σp，其中工作应力即为分析所得的最大应力值，许用应力根据制造连接法兰的材料属性来确定。制造法兰的材质为42CrMoA，其材料的许用用力为115.5MPa。由以上分析结果可知，结构（b）和结构（c）均能满足强度要求。