基于ANSYS的高压隔膜泵液力端关键件强度对比分析

2016-04-06张立华中国有色沈阳泵业有限公司辽宁沈阳110144

中国新技术新产品 2016年3期

张立华（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳 110144）

张立华
（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳 110144）

摘要：腔体和隔膜腔是大型高压隔膜泵液力端的关键部件，也是重量最大的关键件。在隔膜泵的设计过程中，应依据其实际所受载荷对其进行强度分析，以确保隔膜泵运行过程中的安全性和可靠性。本文以大型高压隔膜泵液力端腔体和隔膜腔为研究对象，采用有限元软件ANSYS对其不同进行强度分析并对分析结果进行校核，以达到优化设计方案和和降低产品生产成本的目的，计算所得结果对于大型高压隔膜泵的设计和研发均具有指导意义。

关键词：隔膜泵；液力端强度对比分析

1　前言

大型高压隔膜泵作为流体介质输送的核心设备，在矿山冶金、石油、化工等诸多领域均得到了广泛的应用。大型高压隔膜泵的液力端主要由活塞缸体、隔膜腔、进出口阀箱及活塞等关键零部件所组成。液力端活塞缸体与隔膜腔处于流体的高压交变载荷作用下，极容易产生疲劳破坏。因此，为确保高压隔膜泵在用户使用现场能够正常、稳定运行，在液力端关键件的设计流程中应对其进行强度计算，并参照计算结论对结构进行修订从而确定合理的几何结构。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对高压隔膜泵液力端隔膜腔及腔体（计算压力37MPa）进行强度分析与校核，得出最大应力与产生位置等相关参数。以此作为对结构进行改进的理论依据，到优化结构、降低成本的目的，分析计算结论对于隔膜泵液力端各部件的设计与研发均具有理论指导意义。

2　隔膜腔有限元分析

2.1隔膜腔的几何模型与边界条件

几何建模采用三维几何建模软件SolidWorks，得到高压隔膜泵隔膜腔的三维几何模型图（如图1所示）。材质为锻钢，具体机械性能如下：σs=345MPa，σb=590MPa，σ-1=215.05MPa。采用国际主流的大型有限元分析软件ANSYS对隔膜腔进行有限元强度分析计算，并对其结构的机械强度进行计算与校核。

图1　高压隔膜泵隔膜腔几何模型图

模型的前处理采用专用ANSYS内置前处理模块，为使计算规模下降并提高计算求解的效率，应对隔膜腔的几何模型细节部分做适当的简化处理，选取1/4对称模型作为分析和研究的对象。具体边界条件如下：各对称表面加方向（法线方向）约束，内部承压部分加载工作压力。边界条件详如图2所示。

图2　高压隔膜泵隔膜腔边界条件图

2.2隔膜腔的分析与校核

经ANSYS软件有限元分析计算，得到了此大型高压隔膜泵隔膜腔在高压流体输送过程中的应力分布云图。如图3所示，可知隔膜腔最大应力位于内腔相贯线位置，最大应力值为162.7MPa，圆角处应力值为93.4MPa。

图3　高压隔膜泵隔膜腔应力分布云图

根据分析结果对此结构隔膜腔的静强度和疲劳强度系数做强度评估与校核，其具体经验公式如下：

静强度安全性系数：

疲劳强度安全性系数

上述式中各参数的具体含义如下：S表示机械零件的静强度安全系数；σs表示所使用材质的屈服强度；σmax表示所受最大应力值；Sa表示疲劳安全性系数；σ-1表示所用材料的疲劳极限；Kσ表示机械零件的应力集中系数；ε表示尺寸系数；β表示表面加工系数。

通过查询机械设计手册能够获得此件的应力集中系数值、尺寸系数值与表面加工系数值分别为1.2、0.9和0.86。将上述各参数代入经验公式，通过计算可得隔膜腔的静强度安全系数和疲劳安全系数分别为3.5和2.8，参照同类承压部件的安全系数值（静强度安全系数应为2～3，且疲劳安全系数应大于2.5）。可知隔膜腔的结构能够满足强度要求。