大型高压隔膜泵双头螺柱的强度分析与结构优化

孙丹龙

（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

大型高压隔膜泵双头螺柱的强度分析与结构优化

孙丹龙

（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁 沈阳 110144）

双头螺柱作为隔膜泵动力端及液力端装配体中的主要连接零件，对隔膜泵整机安全性与运行效率有着重要的影响。本文应用大型有限元分析软件ANSYS对两种不同结构的双头螺柱进行强度计算与分析，经过对比得到满足强度要求的最优形貌结构，其结论对大型高压隔膜泵的相关零部件设计研发具有较强的指导意义。

大型高压隔膜泵；高强双头螺柱；强度分析

0.前言

大型高压隔膜泵作为能源化工行业中固-液两相流体输送的核心设备，其总体结构主要由动力端、液力端、液压控制系统、电机减速机等关键部件组成。其中，作为连接各个部装的双头螺柱，在高压隔膜泵运行过程中主要承受较高的螺栓力载荷。该件的设计和制造不仅应严格参照紧固件相关标准，还应结合隔膜泵的具体使用环境、工况条件和装配工艺流程等诸多因素。不仅要保证充足的装配和拆卸空间以便于各关键部件的装配，还应使其满足结构强度的要求，从而避免产生应力集中而导致双头螺柱在大型隔膜泵现场运行中发生疲劳断裂。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对两种不同结构的双头螺柱进行强度分析，并对分析结果进行评价。通过对比研究确定应力集中程度最小、应力分布最佳的结构形式。其分析手段与计算结论对压力容器类相关产品的设计研发具有较强的理论指导意义。

1.高强螺柱的强度分析

1.1 几何模型与边界条件

双头螺柱为M64×4，螺柱总长890mm，性能等级为10.9级，该螺柱有上下两段缩颈，三维模型如图1所示。由于双头螺柱为对称结构，为方便计算，可对二分之一模型进行分析计算。利用三维建模软件建立双头螺柱的三维几何模型并以导入到有限元分析软件中。利用ANSYS专用前处理模块对三维几何模型进行区域离散化，并对可能产生应力集中的圆角部位细化共划分单元7503个，节点8029个。对螺柱底部施加位移约束，顶部施加螺栓力，载荷及约束如图2所示，其中螺栓按照隔膜泵实际承压值加载，预紧系数按1.8选取计算，可得到每个螺栓受力为611051.8N。

表1　双头螺柱各缩径位置变形汇总表

表2　改进结构双头螺柱各段缩颈变形量

1.2 计算仿真结果

分析结果显示，螺柱最大的轴向拉伸变形为1.2mm，最大等效应力为410MPa。其中各段缩颈变形量详见表1，其应力分布云图和变形分布云图分别如图3和图4所示。

为了更好地改进双头螺柱的变形及应力等参数，现在螺柱长度、连接情况相同的基础上对其结构形式进行改进。并利用相同的网格规模与边界条件进行有限元分析，在原结构双头螺柱的下端长缩颈处以两个较短缩颈代替，三维模型如图5所示，分析结果如图6所示与图7所示。

分析结果显示改进结构后的双头螺柱最大轴向拉伸变形为0.864mm，最大等效应力为378MPa。其中各段缩颈变形量详见表2。

结论

本文利用有限元分析软件ANSYS对两种结构的大型隔膜泵双头螺柱进行强度分析，并根据计算结果的对比，可得出结论如下：（1）两种结构的双头螺柱在相同工况下的最大应力均位于缩径位置处；最大变形均位于双头螺柱的受载端面。（2）两种双头螺柱的分析结果对比可知，改进后的结构具有更好的应力分布和更小的应力集中，因此具有更好的使用效果与安全保障。

［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.

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