大型隔膜泵动力端曲轴三维裂纹仿真计算研究

时间：2024-05-17

陈扬

（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳 110144）

1 隔膜泵基本工作原理介绍

隔膜泵作为近年些来普遍使用的一种较为理想的往复式泵，可输送包括石油、城市污水、氧化铝矿浆等各种工业料浆，隔膜泵与其他油隔离泵相比，具有结构合理、液压控制系统稳定可靠、运行安全平稳、噪声低、操作维修方便、易损件使用寿命长的特点、并且有明显的节能、节电、节备件消耗等优势，因而它的应用领域十分广泛，其经济效益和社会效益均非常显著。具体原理如图1所示，该大型隔膜泵为卧式三缸双作用往复式隔膜泵，它是由动力源（电动机及减速机）带动曲轴旋转，使活塞杆、介杆及活塞作周期性往复运动。活塞的运动通过推进液（液压油）使隔膜产生周期性往复运动。当隔膜向前运动时，隔膜室下方的进料阀开启吸进料浆，当隔膜向后运动时，隔膜室上方的排料阀打开将料浆排出。

图1 隔膜泵原理图

大型往复式活塞隔膜泵已经成为当前工业管道化输送的核心设备，例如在某些特殊工况，高磨蚀料浆的管道化输送，隔膜泵是高效节能的理想设备，在冶金矿山、石油化工、氧化铝、污水处理环保等行业被广泛应用，是传统往复泵的更新换代产品。但大型隔膜泵在现场使用过程中，三拐曲轴作为隔膜泵动力端重量最大的关键件，其强度和安全性能是机械设计人员主要关注的问题。为保证曲轴使用的安全性，应对曲轴进行强度评估进而做出结构改进的建议，该文利用有限元软件对隔膜泵的关键件曲轴进行静力和裂纹分析，为隔膜泵的动力端的进一步设计、分析优化提供了理论依据。

2 曲轴强度分析

三拐曲轴是隔膜泵动力端的关键件之一。三拐曲轴的材料为42CrMoA（电渣熔铸），调质处理，材料机械性能为σb=810 MPa，σs=624 MPa，σ-1=287 MPa。三拐曲轴的三维模型建立采用Solidworks来完成，将三维模型以.sat的格式导入有限元分析专用前处理软件Hypermesh中进行网格划分，并以.cdb的格式导出到ANSYS中。Hypermesh作为有限元分析的专用前处理软件，能够对多种有限元分析求解器进行前处理，例如ANSYS、LS-DYNA、ADINA、Fluent等。该文中三拐曲轴前处理的网格形态为四面体，类型为实体单元solid45，网格整体宏观尺寸为45mm，共计生成单元78801个，节点104454个。

在三拐曲轴的实际运转过程中，当转角为300°时为最危险工况，因此计算曲轴一拐在300°工况下的强度，曲轴受到120t的连杆力。根据实际工况设定中间支撑处轴承接触间隙为0.25mm。连杆力按余弦曲线分布规律以分布力方式施加于连杆与曲轴的接触面处。轴承支撑部分进行径向约束，端面中心点处施加轴向约束，保证三拐曲轴在静强度分析过程中不发生移动。曲轴的有限元计算模型及加载和边界条件如图2所示，分析结果如图3所示。

图2 曲轴边界条件图

3 裂纹分析方法及计算结果

假设曲轴三拐曲臂左侧内部存在夹渣缺欠，其裂纹面设定为椭圆柱形，椭圆长半轴a=4mm，椭圆短半轴为b=3.3mm，在曲轴的子模型（sub-model）上用ANSYS软件的建模功能模拟裂纹的存在。基于实体建模的方法，而后在实体上对裂纹尖端位置进行网格划分，即对裂纹的尖点位置进行网格局部细化。具体实施步骤如下：1）首先建立不含裂纹的三拐曲轴实体模型。2）其次在裂纹或夹渣出现的位置创建关键点（key point），建立两个重合的裂纹面，所在的曲线作为裂纹前缘线。3）将两个裂纹面各自绕着中心轴线反向旋转一个较小的角度（一般为15°或20°），该文中为15°，形成一个独立的小体积单元，作为初始裂纹，该小体内包括了角状裂纹。4）对曲轴整体模型和初始裂纹进行布尔运算的差运算，使第三步中所产生的小体积单元与三拐曲轴整体之间合并为一个整体。5）为了充分满足曲轴裂纹前缘奇异性的计算要求，本课题在划分网格时，首先利用Hypermesh对小体积单元的表面进行网格划分，然后对每个小体积整体进行网格划分，从而得到含裂纹结构的三拐曲轴的网格，单元类型为Solid45，局部单元尺寸为5 mm。6）对上述相应的含裂纹的三拐曲轴模型分别进行相同的操作，将含裂纹部分进行特殊处理。在对该部分进行网格划分时应该注意网格的尺寸尽可能小，保证网格疏密程度应该尽量均匀，以此来满足结果的精确性。7）对三拐曲轴的整体结构进行网格划分。8）对曲轴的整体结构进行加载与计算，最终计算出含裂尖端的应力强度因子。图4中给出了在该文计算方法下，夹渣裂纹经加载以后的应力图。由此可以清楚地看出由该方法得出的宏观结果。