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隔膜泵介桿有限元分析的結構改進

發布于:2024-02-04 22:12
有限元分析

      大型隔膜泵作為固-液兩相介質輸送的核心設備,在冶金、石油化工和長距離管道輸送等領域得到了廣泛的應用。大型隔膜泵動力端主要由下箱體、曲軸、連桿、十字頭和介桿等關鍵部件所組成。其中,介桿與十字頭為法蘭連接,受結構影響,介桿的法蘭圓角在隔膜泵工作過程中應力較大,容易損壞。因此,為保證大型隔膜泵在用戶現場正常、穩定、安全的運行,在介桿的設計過程中應對其進行強度分析校核,以確保其強度滿足設計要求。傳統的介桿分析是進行單件靜強度分析計算,相比于裝配體,約束與加載方式對于介桿的分析結果影響較大,所得到的結果相比于真實情況偏大,造成設計浪費。為了節省設計成本,介桿分析采用更加接近實際工況的裝配體分析。本文采用有限元軟件ADINA對大型隔膜泵介桿(工況活塞力為175T)進行有限元分析與校核,分別進行單件強度分析與裝配體強度分析。對比兩種分析方法的差別,優化分析設計方法,降低設計成本。
      針對175T介桿采用有限元分析軟件ADINA進行單件與裝配體強度分析。介桿的三維模型如圖所示。采用單件分析方法的網格劃分與邊界條件添加如圖2所示。根據三缸單作用隔膜泵介桿的受力關系,將與活塞桿接觸面上施加全約束,于介桿的法蘭面上添加壓強邊界,壓力大小為175T。
      改進分析方法,采用裝配體分析的網格劃分與邊界條件添加如圖所示。如圖3所示,介桿與圓環面面接觸,圓環起到與十字頭相同的作用,于圓環面添加壓強邊界,壓力大小為175T,將與活塞桿接觸面上施加。
      通過兩種分析方法得出的分析結果如圖所示。圖為單件強度分析方法的位移云圖,圖為單件強度分析方法的應力云圖,介桿的最大應力位于法蘭圓角處,最大應力為157.8MPa,最大位移為0.216mm。
      圖為采用裝配體分析的位移云圖和應力云圖,改進分析算法后,介桿的最大應力同樣位于法蘭圓角處,但最大應力為140MPa,介桿的最大位移為0.203mm。
      兩種分析方法的最大應力和安全系數匯總見表。
      通過以上分析可以看出,介桿的單件計算得到的應力比裝配體分析的應力大很多,靜強度安全系數與疲勞強度安全系數均有較大差距,分析其原因,由位移云圖可以看出,采用單件分析的介桿法蘭外邊緣的變形量較大,究其原因是由于作用力引起的外邊緣的撓度大于法蘭內側,因此法蘭根部圓角應力較大。強度校核原則為安全系數大于許用安全系數,因此,由于采用裝配體進行的分析安全系數較大,可以在介桿的設計過程中減小設計尺寸,從而降低介桿的生產成本。


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