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三缸單作用隔膜泵作為煤化工長距離管道輸送領(lǐng)域中固-液兩相介質(zhì)（如水煤漿等）的核心設(shè)備，其動力端主要由三拐曲軸、連桿、十字頭及介桿等關(guān)鍵部件聯(lián)接所構(gòu)成。其中，位于連桿小端的銷軸軸承以及隔膜泵介桿，要分別通過裝配才能與動力端十字頭相連接。在隔膜泵的實(shí)際運(yùn)行過程中，十字頭內(nèi)表面受隔膜泵曲軸活塞力的作用，表現(xiàn)為余弦力分布形式。該作用力為十字頭所承受的主要載荷，也是引起十字頭發(fā)生疲勞破壞的重要原因之一。因此，在設(shè)計(jì)大型隔膜泵十字頭的過程中不僅應(yīng)考慮材質(zhì)和裝配空間的因素，還應(yīng)保證十字頭在承受大噸位活塞力的過程中不發(fā)生疲勞破壞，使其在結(jié)構(gòu)角度滿足強(qiáng)度的要求上，避免產(chǎn)生過度的應(yīng)力集中而在泵的現(xiàn)場運(yùn)行過程中發(fā)生疲勞破壞。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對三缸單作用大型隔膜泵動力端十字頭進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行評估以確定其是否滿足強(qiáng)度要求。
三缸單作用隔膜泵動力端十字頭的三維幾何模型如圖所示。為降低計(jì)算規(guī)模，提高計(jì)算效率，本文對十字頭強(qiáng)度分析的幾何模型采用1/2對稱模型。十字頭材質(zhì)的機(jī)械性能為σb=600MPa， σs=370MPa，σ-1=223MPa。
對十字頭的幾何模型進(jìn)行簡化處理，去掉對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小的細(xì)節(jié)并以.SAT格式將幾何模型導(dǎo)入到大型有限元分析軟件ANSYS的前處理界面中，對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型采用三維四面體單元solid45，網(wǎng)格尺寸為20mm，同時(shí)注意對有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的局部細(xì)節(jié)部位網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理以使得該區(qū)域的計(jì)算分析結(jié)果真實(shí)可信，網(wǎng)格劃分后共生成四面體單元20785個。由于所分析的十字頭為整體模型的1/2，因此需在對稱表面上施加對稱約束條件，并對十字頭與介桿的接觸面節(jié)點(diǎn)施加方向約束。對于十字頭孔與銷軸軸承相接觸的部分，則施加按余弦函數(shù)分布的工況活塞力。十字頭的有限元模型及邊界條件如圖所示。
觀察提取有限元分析軟件ANSYS的計(jì)算后的處理結(jié)果得到大型隔膜泵動力端十字頭在大噸位工況活塞力作用下的應(yīng)力分布云圖和變形分布圖。
根據(jù)圖的后處理結(jié)果可知，動力端十字頭最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在十字頭與介桿相接觸表面附近的圓角處，最大應(yīng)力為90.55MPa，最大變形出現(xiàn)在十字頭銷軸軸承孔附近，最大變形量為0.102mm，但最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置距被施加方向約束的節(jié)點(diǎn)位置較近，因此約束條件可能對結(jié)果有較大的影響，且十字頭實(shí)際所受到的工況活塞力主要分布于十字頭孔與銷軸軸承接觸的部分，因此考慮將受邊界條件影響的分析結(jié)果視為奇異解，此時(shí)考察第二熱點(diǎn)應(yīng)力，即忽略圓角附近應(yīng)力結(jié)果后的最大應(yīng)力值。經(jīng)ANSYS后處理得到十字頭的最大應(yīng)力位于銷軸孔處（即受余弦函數(shù)分布活塞力位置處）。此時(shí)十字頭的應(yīng)力分布云圖和變形分布圖分別如圖所示。
采用有限元分析軟件ANSYS對大型隔膜泵動力端十字頭進(jìn)行強(qiáng)度分析，在按照實(shí)際運(yùn)行工況對其進(jìn)行邊界條件的定義并施加載荷的條件下，得到應(yīng)力分布和變形等強(qiáng)度分析結(jié)果。需采用基于Good Man曲線判定準(zhǔn)則的規(guī)定來對十字頭的靜強(qiáng)度安全系數(shù)和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以判定其是否滿足強(qiáng)度要求。
根據(jù)表所示的結(jié)論可知，此結(jié)構(gòu)的隔膜泵動力端十字頭在動力端位活塞力的作用下，其靜強(qiáng)度安全系數(shù)和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，由此可認(rèn)為該十字頭在實(shí)際工況下可以滿足強(qiáng)度要求。此外，綜合參考上述分析結(jié)果，可考慮在許用安全系數(shù)范圍內(nèi)并滿足裝配空間的要求下適當(dāng)減薄十字頭壁厚，以達(dá)到簡化結(jié)構(gòu)、降低成本的目的。
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