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高压往复泵曲轴的强度分析及设计改进

发布于:2016-03-20 14:31
强度分析

      往复泵是一种高效节能的流体输送设备,在石油开发、水利水电、矿山开采等领域起着重要的作用。曲轴是往复泵中的关键部件,其几何形状复杂,工作中承受着强烈的交变载荷,应力集中现象严重,极易发生疲劳破坏。某型号油田井下高压加注用三缸单作用往复泵最大排压可达35MP。最大排量25m3/l,最大功率150kW,为同类型中最大规格,其主要特点是排压高。一般汽油机、柴油机最大爆发压力均低于10MPa、功率大,在使用过程中曲轴销过渡圆角部分极易发生疲劳断裂。本研究详细分析了往复泵曲轴各部分所受外力及截面内力,进而采用有限元分析曲轴的整体应力分布状况,并对曲轴危险部位的进行疲劳强度校核。在此基础上,对往复泵曲轴进行改进设计。
      某型号三缸单作用往复泵曲轴结构形式如图所示,曲轴材料为40Cr,尺寸参数如表所示。本曲轴为两支点三拐曲轴,其所受外力主要有:作用在曲轴销处的切向力T,和径向力Ri(i=1,...3),作用在主轴颈处的支反力,长臂上的齿轮力Ft,F,这些力均为曲轴转角的函数。依据柱塞力、摩擦力及往复惯性力,分别计算得到各连杆的连杆力。依据连杆力在曲轴上产生径向力和切向力,可以计算支反力、齿轮力,以及各截面内力。图为曲轴各连杆力随曲轴转角的变化关系。根据曲轴的受力情况以及应力集中情况,可以确定曲轴的疲劳断裂危险截面为如图所示的7个截面,分别计算各截面的截面应力可知曲轴最危险截面为截面6其扭转和弯曲应力随曲轴转角的变化关系如图所示。
      以表所示参数,建立曲轴的三维CAD模型,将其导入有限元App中进行应力分析。采用六面体单元solid45对曲轴进行网格划分,由于曲轴销轴颈和主轴颈的过渡圆角部分应力集中相当严重,且大部分曲轴断裂都是发生在圆角处,所以应对曲轴圆角的网格进行细化。图为曲轴的有限元模型,包含680008单元,186974节点。材料为40Cr,其弹性模量为212GPa,泊松比为0.28,曲轴在工作过程中受到交变的连杆力,旋转及往复惯性力,其在工作中承受扭转和弯曲载荷,弯曲载荷是其破坏的主要因素,且由连杆直接作用在曲轴销上。根据有限宽度轴颈油膜压力分布规律,假定曲轴销处载荷边界条件为:载荷沿曲轴销轴颈轴线方向按二次抛物线规律分布,沿圆周120°角范围内按余弦规律分布,如图所示。截面6为曲轴的最危险截面,其疲劳强度决定整个曲轴的疲劳强度。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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