不同幾何特征對(duì)大型隔膜泵液力端隔膜腔靜強(qiáng)度影響研究

張恩龍 齊東杰 李文明 陳 揚(yáng) ,2

（1、中國(guó)有色(沈陽(yáng))泵業(yè)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110144 2、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

1 概述

隔膜腔作為大型高壓隔膜泵液力端的關(guān)鍵件之一，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度強(qiáng)度關(guān)系著隔膜泵液力端能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行。隨著有限單元法及其商業(yè)化軟件在機(jī)械行業(yè)的不斷推廣和應(yīng)用，現(xiàn)如今通常采用三維建模加靜強(qiáng)度分析的模式來確定其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性。以某工作壓力8MPa的隔膜腔為例，本文利用有限單元法研究了隔膜腔結(jié)構(gòu)尺寸及形狀變化對(duì)強(qiáng)度的影響，為隔膜腔設(shè)計(jì)提供參考。

2 隔膜腔結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)應(yīng)力的影響

2.1 隔膜腔與腔體連接處厚度變化對(duì)應(yīng)力影響分析

以該隔膜腔（將隔膜腔與內(nèi)膽做成一體）為研究對(duì)象，如圖1所示，利用ADINA軟件對(duì)隔膜腔進(jìn)行分析；采用1/4模型進(jìn)行分析，約束對(duì)稱面及隔膜腔與腔體法蘭連接端面；在隔膜腔與隔膜室蓋、隔膜腔與出料閥箱螺栓連接處施加螺栓力；在隔膜腔與礦漿接觸位置施加計(jì)算壓力。隔膜腔三維有限元分析幾何模型、網(wǎng)格模型分別如圖2和圖3所示。

圖1 修改尺寸前后的隔膜腔結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖2 隔膜腔幾何模型

圖3 隔膜腔有限元模型

圖4 隔膜腔應(yīng)力云圖、位移云圖

當(dāng)圖1中高亮尺寸為0.1 m時(shí)，隔膜腔的有限元模型及單元、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖和位移云圖如4所示。

2.2 不同接口厚度尺寸隔膜腔的強(qiáng)度分析

首先對(duì)隔膜腔圖中淺色高亮尺寸不斷增大的情況下，分析隔膜腔隔膜頭圓角和冠線圓角處應(yīng)力的變化。隔膜腔圖中淺色高亮尺寸由174mm減小為100mm，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化如表1所示。

從表1中可以看出，隨著圖中淺色高亮尺寸減小，隔膜頭圓角和冠線圓角處的應(yīng)力值不斷增大。

表1 隔膜腔不同尺寸對(duì)應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果

3 隔膜腔不同外形結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的影響

以外形結(jié)構(gòu)如圖5所示、實(shí)際工作壓力為8MPa的隔膜腔為研究對(duì)象，改隔膜腔的外輪廓獲得了不同的隔膜腔結(jié)構(gòu)（圖中淺色高亮尺寸為修改的尺寸），施加8MPa壓力，計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)隔膜頭圓角的應(yīng)力，如表2所示。

圖5 隔膜腔外輪廓修改前后的模型圖

表2 隔膜腔應(yīng)力對(duì)比分析

從表2看出，將外形修改后，增大了隔膜腔的質(zhì)量，圓角處厚度有較大的增加，隔膜頭圓角處應(yīng)力降低了，相對(duì)于質(zhì)量的增加，應(yīng)力的降低不明顯。

4 隔膜腔隔膜頭圓角尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

以不同隔膜頭部圓角半徑為研究對(duì)象，研究增大隔膜頭圓角半徑對(duì)隔膜腔應(yīng)力的影響。

對(duì)圖6中淺色高亮顯示的隔膜頭圓角半徑由15mm以2mm為步長(zhǎng)增加到30mm時(shí)，隔膜腔最大應(yīng)力的變化，如表3所示。

圖6 隔膜頭圓角尺寸示意圖

表3 隔膜腔最大應(yīng)力

由表3可以看出，隔膜頭圓角變化對(duì)隔膜頭圓角應(yīng)力影響較大，隨著圓角半徑變大，應(yīng)力顯著減小，在圓角半徑增大到25mm時(shí)，隔膜腔在其他尺寸不變的情況下，隔膜腔的疲勞安全系數(shù)達(dá)到合格要求。

5 結(jié)論

以現(xiàn)有的分析方法計(jì)算隔膜腔，可以看出隔膜腔隔膜頭圓角半徑大小對(duì)隔膜頭應(yīng)力影響較敏感，因此在滿足其他使用要求的情況下，可盡量增大圓角半徑以降低應(yīng)力。