赤泥隔膜泵单向阀螺栓改进设计

【前言】赤泥隔膜泵单向阀螺栓改进设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。氧化铝厂6台赤泥隔膜泵是由德国Feluwa泵业有限公司生产的，此类型泵能输送粘性的、有侵蚀性和腐蚀性的液体，运行可靠、压力可以高达200 Pa、流速范围为80-300 m3/h。目前我公司泵运行时进口压力为4 kg，出口压力为60-80 kg。 1.2 赤泥隔膜泵单向阀螺栓目前存在的问题 ...

摘 要：华银铝公司赤泥隔膜泵维修中存在单向阀螺栓拆卸和安装困难难题，不仅检修时间长，耗费人力多，给华银铝的安全稳定生产带来了重大影响。文章主要通过对单向阀螺栓在泵运行时受力情况分析，重新设计改进单向阀螺栓，及论证在该工况下，对改进的螺栓强度和疲劳强度进行校核，确认其是否满足安全运行要求，是否能解决单向阀螺栓拆卸困难问题。

关键词：设计；总拉力；强度；疲劳强度

中图分类号：TF351.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）29-0005-02

1 赤泥隔膜泵的基础知识及目前存在的问题

1.1 赤泥隔膜泵基础知识

氧化铝厂6台赤泥隔膜泵是由德国Feluwa泵业有限公司生产的，此类型泵能输送粘性的、有侵蚀性和腐蚀性的液体，运行可靠、压力可以高达200 Pa、流速范围为80-300 m3/h。目前我公司泵运行时进口压力为4 kg，出口压力为60-80 kg。

1.2 赤泥隔膜泵单向阀螺栓目前存在的问题

赤泥隔膜泵单向阀或双软管维修任务重，维修时间长，螺栓拆卸和安装总共占据维修时间的62%，针对单向阀螺栓拆卸和安装困，耗费时间过长问题，进行研究和分析，发现以下三个方面是照成此情况的主要原因：①单向阀螺栓作用：一是紧固单向阀，二是压紧两个软管，每当软管出现液压油泄漏时，都需要紧固单向阀螺栓，导致螺栓紧固扭矩超过设计扭矩（2 520 Nm）照成螺栓轴向拉伸和径向扭曲，螺栓形变过大，同时，由于紧固扭矩超过设计扭矩，导致隔膜室螺栓孔被螺栓刮伤，或者直接咬合在一起，从而导致螺栓拆卸困难；②螺栓设计长度比较长（总长660 mm），在拆卸和安装时螺栓弹性大、变形过大，导致用于拆卸螺栓的液压扳手或风动扳手大部分作用力都用于克服螺栓由于变形而产生的作用力，从而导致螺栓拆卸困难；③在长期的使用过程中很多杂质进入螺丝孔当中，没有得到有效的清理，使杂质存在螺牙之内，影响螺牙之间的配合，从而导致螺栓拆卸困难。

文章主要对单向阀螺栓在拆卸和安装中存在的问题以及运行工况下进行受力分析，改进单向阀螺栓连接方式，对其进行强度校核与疲劳强度校核，最终确定方案的可行性。

2 赤泥隔膜泵单向阀螺栓改造前受力分析

图1为赤泥隔膜泵单向阀螺栓联接示意图，其作用是锁紧单向阀和压紧双软管，承受由隔活塞运动产生的轴向工作载荷导致双软管形变而产生的工作压力F，此外单向阀盖保持对单向阀垫子和O型圈有压力，保证单向阀与垫子的密封。

螺栓受力如下图2a、b、c所示三种情况，即：未紧固情况、已紧固情况、已受工作载荷情况，对其进行受力分析，发现所受到的总拉力不等于预紧力F0和工作拉力F之和。螺栓受载荷后，预紧力是变化的，螺栓的总拉力F2并不等于预紧力F0与工作拉力F之和，而是等于残余预紧力F1于工作拉力F之和。

2.1 螺栓受到的预紧力F0

通过查赤泥隔膜泵说明书得，螺栓型号是：M42×660，等级是8.8级，预紧扭矩为2 520 Nm.根据公式：T≈0.2 F0d。其中：T―为安装扭矩，F0―为预紧力，d―为直径。

则单向阀螺栓预紧力

F0=T/0.2d=2 520/0.2×0.042=30 000 N=30 KN

2.2 单向阀螺栓受到的工作负载F

赤泥隔膜泵运行时进口压力为4 kg，出口压力一般在60～80 kg范围之内，当赤泥隔膜泵的进口单向阀关闭，出口单向阀开启的一瞬间，压力最大，此时，单向阀螺栓受力也最大，即单向阀法兰在活塞运动时最高受到P'=80 kg的工作载荷，而此时单向阀法兰在工作载荷作用下受力面积是直径为228 mm的圆形区域。单向阀法兰受到的力为：

F∑= P'・S3=8×105×π（■）2×10-6=0.65×106 N

则单根螺栓受到的最大工作拉力F为：

F=■=0.65×106÷8=0.081×106 N

2.3 单根螺栓受到的总拉力F2

由分析可知，螺栓的总拉力等于残余预紧力与工作拉力之和。并满足F0≤F2

F2=F0+■F=0.03×106+0.3×0.081×106=0.0543×106 N

3 对改进后单向阀螺栓进行强度校核与疲劳强度校核

3.1 改造后单向阀螺栓结构及尺寸

针对赤泥隔膜泵单向阀螺栓拆卸困难的两个主要原因进行研究和分析，结合实际情况，对其进行改进，改进后螺栓结构和尺寸以及安装示意图如下图3所示。

3.2 校核改造后单向阀螺栓和螺帽的拉伸强度

对单向阀螺栓改进后，螺栓采用的是：材料是42 Crmo，10.9级，其力学性能为：屈服强度σs？芏900 MPa，抗拉强度σb？芏1 000 MPa，螺帽材料为42 Crmo，其力学性能为：屈服强度σs？芏1 040 MPa，抗拉强度σb？芏1 040 MPa。

3.2.1 校核改造后单向阀螺栓的拉伸强度

改进的螺栓采用的是10.9级，材料为42 Crmo，比改进前采用的8.8级，材料为42 Crmo，其力学性能要高，满足使用要求，不需要再进行校核。

3.2.2 校核改造后单向阀螺帽的拉伸强度

螺帽的拉升强度条件为：σca=■≤[σ]。式中：d1―为螺帽的危险截面直径。改造后螺栓连接图，螺帽的危险截面是在两颗螺栓头部接触面所在的螺帽截面，所以危险截面面积为一个圆环，内圆直径为42 mm，外圆直径为75 mm。[σ]―螺帽的许用应力。其值可以由[σ]=■ 算出。S为紧螺帽的安全系数，对控制预紧力的M42紧螺栓S=1.2～1.5，如不控制预紧力S为6.8～10。正常我们都是通过液压扳手紧固单向阀螺栓的，所以这里取S=1.2～1.5，则[σ]=■=■=693～866 MPa。考虑到螺帽在紧固时切向力的影响，校核时将总拉力F2增加30%，则得校核单向阀螺帽的拉伸强度：

σca=■=■=30≤[σ]=693～866 MPa

结论：改造后单向阀连接螺帽的拉伸强度是满足使用要求。

3.3 校核改造后单向阀螺栓和螺帽的疲劳强度

由于隔膜泵运行是周期性的，因此，螺栓受到的作用力也是周期性的，法兰受到的作用力在0～F∑之间变化，所以单向阀单根螺栓受到的工作拉力在0～F之间变化，螺栓受到的总拉力将在F0～F2之间变化，如图4。螺帽危险截面的最大拉应力为：

σmax=■=■=23 MPa

最小拉应力为：

σmax=■=■=13 MPa

应力幅为：

σmax=■=■=5 MPa

校核螺帽的疲劳强度为：

Sca=■=≥S

式中：

查表得：σ-1tc=240～340 MPa，在此取：340 MPa。 ？渍σ―材料常数，其值在0.2～0.3之间，在此取：0.25。Kσ―拉压疲劳强度综合影响系数。Kσ=（■+■-1），此处kσ为有效应力集中系数，查表得kσ=5.76；？着σ为尺寸系数，查表？着σ=0.63；为表面质量系数，查表得？茁σ=0.7；为强化系数，查表得？茁q=1.2；所以螺栓拉压疲劳强度综合影响系数

Kσ=（■+■-1）■=（■+■-1）×■=9.57。

S ―安全系数，对于控制预紧力的紧螺栓，S=1.5。

所以有：

Sca=■

=■

=3.55≥S

结论：Sca≥S单向阀螺帽抗疲劳强度能满足现有工况下隔膜泵的运行要求。

4 结 语

以上对赤泥隔膜泵单向阀螺栓改造前的结构、使用情况、拆卸和安装情况、受力情况进行研究和分析，发现存在的问题，对存在的问题进行分析并提出了解决方案，并通过对改进后的单向阀螺栓进行拉伸强度和疲劳强度进行分析和校核，最终得出此改进方案是可行的，同时通过和溶出隔膜泵活塞缸固定螺栓进行对比（活塞缸所采用的紧固方式和赤泥隔膜泵单向阀螺栓改进后方案类似），采用此设计方案的单向阀螺栓连接方式，拆卸简单，劳动强度小，时间短，对工器具的要求不高（可以用风动扳手或敲击扳手拆卸），同时也把双软管紧固和单向阀紧固分开，避免了因扭矩过大而损伤螺丝孔或螺栓问题。

若赤泥隔膜泵单向阀螺栓按照此方案进行改进，在拆卸旧螺栓方面存在一定问题，由于目前6台赤泥隔膜泵单向阀全负荷运行，没有维修时间，加上单向阀螺栓在使用过程中出现了变形、螺牙出现损伤或者咬合，拆卸非常困难，耗费时间非常长，公司生产不允许如此长的停机维修，但是如果不进行处理则每一次检修也将极大的耽误生产。

参考文献：

[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 成大先主编.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.

[3] 郭维林.机械原理[M].北京：中国水利水电出版社，2010.