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三缸單作用隔膜泵作為煤化工長距離管道輸送領(lǐng)域中固-液兩相介質(zhì)（如水煤漿等）的核心設(shè)備，其動力端主要由三拐曲軸、連桿、十字頭及介桿等關(guān)鍵部件聯(lián)接所構(gòu)成。其中，位于連桿小端的銷軸軸承以及隔膜泵介桿，要分別通過裝配才能與動力端十字頭相連接。在隔膜泵的實際運行過程中，十字頭內(nèi)表面受隔膜泵曲軸活塞力的作用，表現(xiàn)為余弦力分布形式。該作用力為十字頭所承受的主要載荷，也是引起十字頭發(fā)生疲勞破壞的重要原因之一。因此，在設(shè)計大型隔膜泵十字頭的過程中不僅應(yīng)考慮材質(zhì)和裝配空間的因素，還應(yīng)保證十字頭在承受大噸位活塞力的過程中不發(fā)生疲勞破壞，使其在結(jié)構(gòu)角度滿足強度的要求上，避免產(chǎn)生過度的應(yīng)力集中而在泵的現(xiàn)場運行過程中發(fā)生疲勞破壞。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對三缸單作用大型隔膜泵動力端十字頭進行強度分析，并對分析結(jié)果進行評估以確定其是否滿足強度要求。
三缸單作用隔膜泵動力端十字頭的三維幾何模型如圖所示。為降低計算規(guī)模，提高計算效率，本文對十字頭強度分析的幾何模型采用1/2對稱模型。十字頭材質(zhì)的機械性能為σb=600MPa， σs=370MPa，σ-1=223MPa。
對十字頭的幾何模型進行簡化處理，去掉對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小的細節(jié)并以.SAT格式將幾何模型導(dǎo)入到大型有限元分析軟件ANSYS的前處理界面中，對該模型進行網(wǎng)格劃分，單元類型采用三維四面體單元solid45，網(wǎng)格尺寸為20mm，同時注意對有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的局部細節(jié)部位網(wǎng)格進行細化處理以使得該區(qū)域的計算分析結(jié)果真實可信，網(wǎng)格劃分后共生成四面體單元20785個。由于所分析的十字頭為整體模型的1/2，因此需在對稱表面上施加對稱約束條件，并對十字頭與介桿的接觸面節(jié)點施加方向約束。對于十字頭孔與銷軸軸承相接觸的部分，則施加按余弦函數(shù)分布的工況活塞力。十字頭的有限元模型及邊界條件如圖所示。
觀察提取有限元分析軟件ANSYS的計算后的處理結(jié)果得到大型隔膜泵動力端十字頭在大噸位工況活塞力作用下的應(yīng)力分布云圖和變形分布圖。
根據(jù)圖的后處理結(jié)果可知，動力端十字頭最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在十字頭與介桿相接觸表面附近的圓角處，最大應(yīng)力為90.55MPa，最大變形出現(xiàn)在十字頭銷軸軸承孔附近，最大變形量為0.102mm，但最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置距被施加方向約束的節(jié)點位置較近，因此約束條件可能對結(jié)果有較大的影響，且十字頭實際所受到的工況活塞力主要分布于十字頭孔與銷軸軸承接觸的部分，因此考慮將受邊界條件影響的分析結(jié)果視為奇異解，此時考察第二熱點應(yīng)力，即忽略圓角附近應(yīng)力結(jié)果后的最大應(yīng)力值。經(jīng)ANSYS后處理得到十字頭的最大應(yīng)力位于銷軸孔處（即受余弦函數(shù)分布活塞力位置處）。此時十字頭的應(yīng)力分布云圖和變形分布圖分別如圖所示。
采用有限元分析軟件ANSYS對大型隔膜泵動力端十字頭進行強度分析，在按照實際運行工況對其進行邊界條件的定義并施加載荷的條件下，得到應(yīng)力分布和變形等強度分析結(jié)果。需采用基于Good Man曲線判定準則的規(guī)定來對十字頭的靜強度安全系數(shù)和疲勞強度安全系數(shù)進行計算，以判定其是否滿足強度要求。
根據(jù)表所示的結(jié)論可知，此結(jié)構(gòu)的隔膜泵動力端十字頭在動力端位活塞力的作用下，其靜強度安全系數(shù)和疲勞強度安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，由此可認為該十字頭在實際工況下可以滿足強度要求。此外，綜合參考上述分析結(jié)果，可考慮在許用安全系數(shù)范圍內(nèi)并滿足裝配空間的要求下適當減薄十字頭壁厚，以達到簡化結(jié)構(gòu)、降低成本的目的。
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