基于有限單元法的隔膜泵曲軸強(qiáng)度分析

于立生張立華

（中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司）

基于有限單元法的隔膜泵曲軸強(qiáng)度分析

于立生*張立華

（中國有色(沈陽)泵業(yè)有限公司）

以某隔膜泵動(dòng)力端曲軸為研究對象，以ANSYS軟件為平臺(tái)，采用有限單元法進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對可能出現(xiàn)的鑄造缺陷提出相應(yīng)的處理措施。

隔膜泵曲軸強(qiáng)度分析有限單元法鑄造缺陷結(jié)構(gòu)

隔膜泵作為流體介質(zhì)輸運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備，在鋼鐵冶金、石油化工、長距離管道輸送、煤化工和環(huán)保水處理等領(lǐng)域均獲得了日益廣泛的應(yīng)用。隔膜泵動(dòng)力端包括的主要部件有曲軸與連桿、十字頭與介桿、箱體及緊固件等。其中，大型三拐曲軸與連桿相裝配組成曲柄-連桿裝配體，成為整個(gè)隔膜泵動(dòng)力端的動(dòng)力源部件。在實(shí)際工況下曲軸受到連桿力的反向余弦力作用，在曲拐圓角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此在動(dòng)力端的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行邊界條件對曲軸進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)果評價(jià)，以確保三拐曲軸的使用安全性和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率。本文以大型有限元分析軟件ANSYS為平臺(tái)，采用有限單元法對曲軸在不同轉(zhuǎn)角下(300°與240°兩大危險(xiǎn)工況)的第二拐和第三拐進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對可能出現(xiàn)的鑄造缺陷進(jìn)行預(yù)估與分析，對曲軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提出了可行性措施。

1 三拐曲軸的強(qiáng)度分析

1.1 三拐曲軸的材料與結(jié)構(gòu)

曲軸材料為42CrMoA（電渣熔鑄），調(diào)質(zhì)處理，材料機(jī)械性能為σb=760 MPa，σs=420 MPa，σ-1=269.7 MPa，連桿力按照7.5×105N進(jìn)行計(jì)算。曲軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 三拐曲軸轉(zhuǎn)角為300°工況時(shí)強(qiáng)度分析

三拐曲軸在第一拐轉(zhuǎn)角為300°工況下，第二拐圓角處應(yīng)力值最大。有限元邊界條件如圖2所示，連桿力按余弦曲線分布規(guī)律以分布力方式施加于第二、三拐連桿與曲軸的連接面上；輸入端施加周向約束；在兩端兩個(gè)軸承支撐部位沿徑向施加約束，并在輸出端施加軸向約束；中間兩處軸承支撐部位建立接觸單元CONTAC52，施加徑向約束，并考慮支撐間隙為0.175 mm；圓角處單元大小約為20 mm，整體單元大小為50 mm，共劃分單元108 105個(gè)，節(jié)點(diǎn)25 385個(gè)。連桿力按轉(zhuǎn)角300°工況施加于第二、三拐，其應(yīng)力與變形分別如圖3和圖4所示。

圖1 隔膜泵動(dòng)力端三拐曲軸幾何模型

圖2 三拐曲軸邊界條件圖

圖3 轉(zhuǎn)角為300°工況時(shí)應(yīng)力分布云圖

圖4 轉(zhuǎn)角為300°工況時(shí)變形分布云圖

1.3 三拐曲軸轉(zhuǎn)角為240°工況時(shí)強(qiáng)度分析

連桿力按轉(zhuǎn)角為240°工況施加于第二、三拐時(shí)，其應(yīng)力與變形分別如圖5和圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)角為240°工況時(shí)應(yīng)力分布云圖

圖6 轉(zhuǎn)角為240°工況時(shí)變形分布云圖

2 結(jié)論

本文采用有限單元法對隔膜泵曲軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到如下結(jié)論。

（1）曲軸的最大應(yīng)力值一般出現(xiàn)在圓角處，因此對圓角上任何缺陷都要認(rèn)真分析，以避免極限狀態(tài)下失效斷裂。為分析圓角處缺陷可能造成的最大影響，可在應(yīng)力最大的圓角中間位置添加一個(gè)凹坑并重新計(jì)算轉(zhuǎn)角300°工況下第二拐子模型的強(qiáng)度。在幾何模型處理時(shí)，建議使倒角表面平滑過渡。

（2）曲軸第三拐曲臂子模型最大應(yīng)力為47.06 MPa，第二拐子模型最大應(yīng)力為51.33 MPa，曲軸缺陷修復(fù)后的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度都滿足要求。

（3）由于第二拐缺陷出現(xiàn)在敏感位置，于是又進(jìn)行了多次分析，在極限狀態(tài)下其應(yīng)力值達(dá)到72.72 MPa，且為奇異值。對于這樣的缺陷要慎重處理，修補(bǔ)時(shí)應(yīng)保證表面光滑、過渡平順。

Strength Analysis of Diaphragm Pump Crankshaft Based on Finite Element Method

Yu LishengZhang Lihua

Taking the crankshaft of the power end of a diaphragm pump as the research object,the strength analysis is carried out by using the finite element method on the ANSYS software platform,and the corresponding treatment measures are put forward for the possible casting defects.

Diaphragm pump;Crankshaft;Strength analysis;Finite element method;Casting defect;Structure

TH 323

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.007

2016-10-13）

*于立生，男，1980年生，工程師。沈陽市，110144。