大型三缸单作用隔膜泵动力端结构强度研究

武 伟（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁　沈阳　110144）



大型三缸单作用隔膜泵动力端结构强度研究

武 伟
（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳110144）

摘要：大型三缸单作用隔膜泵是长距离管道输送领域中固-液两相流体输送的核心设备，隔膜泵动力端结构形式合理与否直接关系着隔膜泵在用户现场运行行为的优劣以及设备自身的安全性。本文针对大型三缸单作用隔膜泵动力端装配体在不同工况条件下的运行状态，应用大型有限元分析软件ADINA中的结构模块对其强度进行分析，以确定其能否满足强度要求。其结论对隔膜泵动力端危险工况的确定以及结构改进提供了一定的理论参考。

关键词：隔膜泵；动力端；结构强度

1 前言

隔膜泵作为长距离管道输送领域中固-液两相介质（如水煤浆等）的核心设备，目前已在煤炭、环保、石油化工等领域获得了广泛的应用。以三缸单作用大型隔膜泵为例，其动力端主要包括三拐曲轴、连杆、十字头及上下滑板等关键部件。曲轴在旋转过程中，带动十字头运动，引起导板受力，这一过程中随着十字头运动到不同位置时导板所受的力情况不同；此外，由于位于连杆位置的销轴轴承和介杆分别与动力端十字头相连接，在隔膜泵的实际运行过程中，十字头内表面受隔膜泵曲轴活塞力的作用，表现为余弦力分布形式。因此，在设计大型隔膜泵动力端的过程中应充分考虑十字头分布在不同位置时的各种工况，还应保证十字头在承受大吨位活塞力的过程中不发生疲劳破坏，使其在结构强度上满足设计要求，通过对比得出不同工况条件下动力端装配体应力分布特性，从而避免产生过度的应力集中。本文采用国际上普遍认可的大型有限元分析软件ADINA结构模块对三缸单作用大型隔膜泵动力端装配体进行强度分析，并对分析结果进行对比评估，从而确定隔膜泵动力端的危险工况以及动力端装配体中各部件的应力分布特性。其结论对于设计和改进隔膜泵动力端相关部件有着一定的参考意义。

2 隔膜泵动力端装配体强度分析

2.1 几何模型与工况条件

将大型三缸单作用隔膜泵动力端装配体网格模型导入有限元分析软件ADINA中如图1所示，分别在十字头、滑板、导板和导板座之间建立接触对，其中十字头与滑板，导板与导板座之间为绑定接触（MPC），滑板与导板之间为滑动接触。进而研究各工况下各部件的变形与受力情况。

工况1条件如下：此工况为二三拐受力，二拐在前。经分析计算得出此种工况下下导板的最大位移为0.099mm，将导板座进行编号，自走向右分别命名为导板座1、2、3，可以看出，位移最大出现在导板3最前端外侧。导板最大应力22.53MPa，同样出现在导板3上，位置正对应于3导板座。此时导板与导板座位移分布云图如图2所示；动力端箱体的位移分布云图如图3所示。

工况2条件如下：此工况为一二拐受力，一拐在前。经分析计算得出此种工况下下导板的最大位移为0.09mm，位移最大出现在导板1上，正对于3导板座。导板的最大应力为21.97MPa，出现在导板2上，位置正对应于3导板座。此时导板与导板座位移分布云图如图4所示；动力端箱体的位移分布云图如图5所示。

工况3条件如下：此工况为二拐受力。经分析计算得出此种工况下下导板的最大位移0.05mm，位移最大出现在导板2上，位于1、2导板座之间。导板的最大应力为19.93MPa，出现在导板2上，位置正对应于2导板座。此时导板与导板座位移分布云图如图6所示；动力端箱体的位移分布云图如图7所示。

工况4条件如下：此工况为一拐受力。经分析计算得出此种工况下下导板的最大位移为0.057mm，位移最大出现在导板3上，位于1、2导板座之间。导板的最大应力为20.00MPa，出现在导板3上，位置正对应于2导板座。此时导板与导板座位移分布云图如图8所示；动力端箱体的位移分布云图如图9所示。

工况5条件如下：工况五为中间十字头运动至导板最前端情况，经分析计算得出此种工况下下导板的最大位移为0.165mm，最大位移最大出现在导板3上，正对于3导板座。导板的最大应力为35.36MPa，出现在导板3上，位置正对应于3导板座。此时导板与导板座位移分布云图如图10所示；动力端箱体的位移分布云图如图11所示。

工况6条件如下：工况六为中间十字头运动至导板最后端情况，经分析计算得出此种工况下下导板的最大位移为0.09mm。导板的最大应力为22.22MPa，出现在导板2上，位置正对应于3导板座。此时导板与导板座位移分布云图如图12所示；动力端箱体的位移分布云图如图13所示。

结论

采用有限元分析软件ADINA对大型隔膜泵动力端装配体进行强度分析，在按照实际运行工况对其进行边界条件的定义并施加载荷的条件下得到不同工况下动力端各部件变形分布云图，通过以上计算得出，静态分析中，在工况五情况下出现最大位移，中间十字头运动至导板最前端情况，最大位移为0.165mm。

参考文献

[1]《活塞式压缩机设计》编写组.活塞式压缩机设计[M].北京：机械工业出版社，1974.

[2]郁永章.容积式压缩机[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

[4]ASME Boiler and Pressure Vessel code （sectionⅧ. Division 2）. SI Edition, 1998.

[5]李大磊，赵玉奇，张志林.SolidWorks高级功能与工程应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2008.

中图分类号：TB301

文献标识码：A