大型隔膜泵介杆有限元分析方法的改进

王维娜（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

大型隔膜泵介杆有限元分析方法的改进

王维娜
（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

摘 要：介杆是大型隔膜泵动力端的关键部件之一。在隔膜泵的设计过程中，应根据其实际所受载荷对介杆进行静强度与疲劳强度分析，以确保介杆在隔膜泵运行过程中安全性。介杆的分析可分为单件与装配体分析，传统的介杆分析是进行单件静强度分析计算，相比于装配体，约束与加载方式对于介杆的分析结果影响较大，所得到的结果与真实情况可能存在偏差。因此，本文基于有限元软件ADINA对介杆进行单件与装配体分析，对比两种分析方法的差异，验证传统分析方法的准确性，确定最优的隔膜泵介杆分析方法。

关键词：隔膜泵；介杆；装配体分析；ADINA

1 前言

大型隔膜泵作为固-液两相介质输送的核心设备，在冶金、石油化工和长距离管道输送等领域得到了广泛的应用。大型隔膜泵动力端主要由下箱体、曲轴、连杆、十字头和介杆等关键部件所组成。其中，介杆与十字头为法兰连接，受结构影响，介杆的法兰圆角在隔膜泵工作过程中应力较大，容易损坏。因此，为保证大型隔膜泵在用户现场正常、稳定、安全的运行，在介杆的设计过程中应对其进行强度分析校核，以确保其强度满足设计要求。传统的介杆分析是进行单件静强度分析计算，相比于装配体，约束与加载方式对于介杆的分析结果影响较大，所得到的结果相比于真实情况偏大，造成设计浪费。为了节省设计成本，介杆分析采用更加接近实际工况的装配体分析。本文采用有限元软件ADINA对大型隔膜泵介杆（工况活塞力为175T）进行强度分析与校核，分别进行单件强度分析与装配体强度分析。对比两种分析方法的差别，优化分析设计方法，降低设计成本。

2 隔膜泵介杆静强度分析

2.1 模型的建立与边界条件

针对175T介杆采用有限元分析软件ADINA进行单件与装配体强度分析。介杆的三维模型如图1所示。采用单件分析方法的网格划分与边界条件添加如图2所示。根据三缸单作用隔膜泵介杆的受力关系，将与活塞杆接触面上施加全约束，于介杆的法兰面上添加压强边界，压力大小为175T。

改进分析方法，采用装配体分析的网格划分与边界条件添加如图3所示。如图3所示，介杆与圆环面面接触，圆环起到与十字头相同的作用，于圆环面添加压强边界，压力大小为175T，将与活塞杆接触面上施加全约束。

2.2 两种结构的结果分析

通过两种分析方法得出的分析结果如图4所示。图4为单件强度分析方法的位移云图，图5为单件强度分析方法的应力云图，介杆的最大应力位于法兰圆角处，最大应力为157.8MPa，最大位移为0.216mm。

图6和图7为采用装配体分析的位移云图和应力云图，改进分析算法后，介杆的最大应力同样位于法兰圆角处，但最大应力为140MPa，介杆的最大位移为0.203mm。

两种分析方法的最大应力和安全系数汇总见表1。

表1 两种分析方法结果汇总

结语

通过以上分析可以看出，介杆的单件计算得到的应力比装配体分析的应力大很多，静强度安全系数与疲劳强度安全系数均有较大差距，分析其原因，由位移云图可以看出，采用单件分析的介杆法兰外边缘的变形量较大，究其原因是由于作用力引起的外边缘的挠度大于法兰内侧，因此法兰根部圆角应力较大。强度校核原则为安全系数大于许用安全系数，因此，由于采用装配体进行的分析安全系数较大，可以在介杆的设计过程中减小设计尺寸，从而降低介杆的生产成本。

参 考 文 献

[1] 赫尔姆特·舒尔茨. 泵原理、计算与结构[M].北京：机械工业出版社， 1991.

[2] 马野，袁志丹，曹金凤. ADINA有限元经典实例分析[M]. 北京：机械工业出版社， 2011.

[3] ADINA Theory and Modeling Guide Volume I： ADINA Solid & Structures Model Definition， June 2010， ADINA R&D， Inc.

[4] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社， 2007.

中图分类号：TQ05

文献标识码：A