基于ANSYS的三缸单作用隔膜泵活塞缸的强度对比分析

陈勇军

（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

1 前言

三缸单隔膜泵作为固-液两相流体输送的核心设备，已在冶金、化工、能源等诸多领域得到了广泛的应用。隔膜泵液力端主要由活塞缸、进出料管、隔膜室以及阀箱等部件组成。其中，出活塞缸作为位于隔膜泵液力端的重要零件，其内部承受流体压力载荷，并随着流体输送和活塞的往复运动的影响使该件成为液力端主要易损件之一。设计缸套的关键因素在于合理确定缸套的壁厚使应力分布得到改善，避免因过度的应力集中和变形而导致缸套在隔膜泵运行现场发生疲劳破坏。此外，设计中还应充分考虑合金钢零部件的成本因素，这要求设计者在能够满足强度要求的前提下尽力降低零件的重量。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对活塞缸进行强度分析，并对分析结果进行评价。通过对比分析结果来确定符合强度设计要求并且壁厚合理、重量较轻的结构形式。其分析方法与结论对相关产品的设计与研发具有一定的理论指导意义。

2 隔膜泵液力端活塞缸强度分析

2.1 几何模型与边界条件

三缸单作用隔膜泵液力端活塞缸所处位置如图1所示，由图1可知，活塞缸装配于腔体之后并在其内部安装活塞芯与活塞杆，两者随动力端曲轴的旋转做往复运动。活塞缸后端与油缸压盖相连。在隔膜泵的现场运行过程中，活塞缸内部受输送料浆工作压力载荷作用。活塞缸的三维结构如图2所示。

根据图2可知，对缸套强度产生影响的主要因素为缸套的壁厚。由于缸套为全对称结构，为降低计算规模，可以对1/4模型进行分析计算。利用三维几何建模软件Solid Works建立液力端缸套的几何模型并以.SAT的格式导入有限元分析软件ANSYS中。采用ANSYS前处理模块对几何模型进行网格划分，对易产生应力集中的位置进行细化（相贯线处圆角），共得到三维四面体单元30871个，节点22398个。根据液隔膜泵液力端运行过程中实际工况的来定义边界条件如下：在实际运行工况下，压力载荷作用于缸套内腔表面（35MPa），在1/4对称面施加对称方向约束，缸套与油缸压盖之间的接触面定义另外一个方向的约束。缸套的边界条件如图3所示。

2.2 计算仿真结果

通过提取ANSYS后处理结果得到该液力端活塞缸的应力与变形分布云图分别如图4和图5所示。

由于活塞缸为合金钢锻件，因此根据机械设计手册1-107可知其强度分析结果的评定通常由工作应力与许用应力之间的关系式来确定。工作应力σc与许用应力σp的一般关系为：σc≤σp，其中工作应力即为分析所得的最大应力值，许用应力则根据制造活塞缸的材料属性以及零件的关键程度等因素来共同确定。三通的材质为锻造合金钢，经计算其材料的许用应力为120MPa，而有限元分析结果为78.2MPa，因此根据分析结果可知，该活塞缸在设计上能够满足强度要求。

为达到降低重量从而减少生产成本的目的，对活塞缸的壁厚进行调整。将壁厚由70mm降低为60mm，这样可将活塞缸的重量大幅降低，采用与上述内容相同的边界条件、网格规模对其进行强度分析可以得到减重后新结构缸套的应力分布云图和变形分布云图分别如图6和图7所示。

表1 不同厚度缸套分析结果汇总表

采用相同的评价体系对60mm壁厚活塞缸进行应力评定可知该种结构亦能满足强度要求。为便于对结构进行评价，将不同壁厚活塞缸的应力、变形的分析结果进行对比并将结果汇见表1。

结论

本文利用大型有限元分析软件ANSYS对不同厚度的三缸单作用隔膜泵液力端活塞缸进行强度分析，并根据非标准件强度评定的相关准则对分析结果进行评价。综合对比计算结果，得出结论如下：

（1）通过对比可知，不同厚度的液力端活塞缸在相同工况下的最大应力均位于内腔边缘位置，且最大变形与最大应力所产生的位置基本相同。根据隔膜泵现场运行实际情况可知其结论真实可靠。

（2）对不同厚度的活塞缸进行对比发现，每降低10mm壁厚，减重可达15kg。但最大应力值随之增加，最大变形的变化量不大。

（3）根据机械设计手册中的材料属性推荐值以及应力评价体系对不同厚度活塞缸进行应力评定可知，在高压力、大流量工况下皆能满足强度要求，但为达到隔膜泵安全稳定运行，且考虑安全系数和裕度的前提下，应将壁厚定为50mm，且此结构能够大幅降低制造企业生产成本，提高经济效益。

[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.