基于ADINA的大型隔膜泵活塞杆的优化设计

摘 要：活塞杆是长距离管道输送用大型隔膜泵液力端的关键部件之一，活塞杆作为隔膜泵中连接动力端和液力端的关键部件，主要用于将隔膜泵动力端的动力传递给液力端，使油缸里的液压油推动隔膜往复运动。在它的设计过程中应根据隔膜泵动力端的实际工况对其进行应力分析与强度校核。本文利用有限元分析软件adina对大型高压隔膜泵活塞杆进行应力分析。并在此基础上，采用规避二次应力叠加的设计方法，设计新的活塞杆结构并进行应力分析，获得了一种既降低了应力水平又减少重量的活塞杆结构。

关键词：隔膜泵；液力端；活塞杆；应力分析；优化

中图分类号：TH323 文献标识码：A

近年来工业中将固体物料制成高浓度浆体进行多相流管道输送逐渐成为了迅速发展起来的新型运输方式，它已被广泛地应用于各个部门，如化学工业中物料的水力输送、水利工程的港口疏浚和河道治理、火力发电厂的废渣输送、采矿工程的水力开采和水砂充填、选矿厂精矿和尾矿的输送等。隔膜泵作为固-液两相介质输送的核心设备，在煤化工和氧化铝等领域日益得到广泛的应用。隔膜泵动力端主要由曲轴、连杆、十字头和介杆等关键件组成。其中，液力端的活塞杆通过卡箍与动力端的介杆连接，保证动力端动力稳定输出到液力端。活塞杆在传递动力过程中受到持续的大吨位载荷，有时会在其圆角处产生较大的应力集中，导致在正常的工作条件下，该处也极易达到屈服。为了设计既安全可靠又经济合理，需对活塞杆进行应力分析并进行优化设计。

本文采用三维建模程序SolidWorks和通用有限元分析程序ADINA，建立了活塞杆三维几何模型并进行应力分析和强度校核，同时对活塞杆进行了减重优化设计。

1活塞杆优化设计

三种活塞杆（轴对称结构形式）结构模型如图1所示。分别对三种活塞杆结构进行有限元分析和强度校核。

1.1第一种活塞杆结构应力分析

对第一种活塞杆结构进行应力分析，活塞杆网格划分采用四节点四面体单元，由于活塞杆圆角（R10）具有应力集中，对此处网格进行细划，活塞杆材料的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，材料屈服极限为550MPa。

边界条件：约束活塞杆与介杆的接触面，在活塞杆与活塞接触面施加沿轴线方向的压力，活塞杆几何模型和有限元模型分别如图2和图3所示。

活塞杆的应力云图如图4所示。

1.2第二种活塞杆结构应力分析

对第二种活塞杆结构进行应力分析，活塞杆的受力和边界约束条件与第一种结构保持一致，活塞杆圆角处进行网格细化，第二种活塞杆结构的几何模型和有限元模型如图5和图6所示。

活塞杆的应力云图如图7所示。

1.3第三种活塞杆结构应力分析

对第三种活塞杆结构进行应力分析，活塞杆的受力和边界约束条件与第一种、第二种结构保持一致，活塞杆圆角处进行网格细化，第三种活塞杆结构的几何模型和有限元模型如图8和图9所示。

活塞杆的应力云图如图10所示。

2活塞杆优化设计结果

将三种活塞杆结构计算应力结果汇总，包括了活塞杆最大节点应力、最大单元应力、最大应力位置及活塞杆的重量信息，见表1。

结语

（1）第一种结构是传统活塞杆结构形式，可以看出该种设计不仅重量最重，而且活塞杆圆角处应力集中也最严重，最大应力达到了233.435MPa，

（2）第二种结构是在第一种设计基础上的是改进设计，将卡箍处圆角半径增大，使应力降低到171.197MPa，说明增大圆角有利于缓解应力集中。

（3）第三种结构采用一种手电筒形式，应力分布较均匀，并且卡箍圆角最大应力得到有效降低119.571MPa，而且其重量最轻，是三种结构中最合理的设计。

参考文献

[1]郁永章.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]马野，袁志丹，曹金凤.ADINA有限元经典实例分析[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2006.