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雙缸隔膜泵作為煤化工行業(yè)中水煤漿等固液兩相流體輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其動力端主要由主動軸、皮帶輪等關(guān)鍵部件所組成。其中，主動軸與動力端動力源(電機、減速機)相連接，軸在實際運轉(zhuǎn)過程中在輸入端鍵槽位置處承受相應(yīng)的輸入扭矩，且主動軸的幾何形態(tài)為階梯狀并與皮帶輪進行裝配，因此在設(shè)計動力端關(guān)鍵件的過程中應(yīng)充分考慮降低主動軸及皮帶輪鍵槽位置及軸階梯圓角位置處的應(yīng)力集中以保證其滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，避免因應(yīng)力集中而導致的疲勞破壞。本研究采用大型有限元分析軟件ANSYS對動力端主動軸和皮帶輪進行強度分析，并對分析結(jié)果進行評價。其分析方法與結(jié)論對相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計與研發(fā)具有一定的理論指導意義。
雙缸隔膜泵動力端主動軸的三維幾何模型如圖所示，軸上的兩處鍵槽分別與動力輸入端及帶輪進行裝配，鍵槽位置處承受與動力端噸位相應(yīng)的扭矩。主動軸所使用材質(zhì)為35CrMo(調(diào)質(zhì))，其機械性能為685MPa，490MPa。主動軸有限元模型整體網(wǎng)格尺寸為10mm，對鍵槽處網(wǎng)格做細化處理，尺寸為5mm。軸承承載面施加徑向約束，主動軸尾部階梯處施加周向約束，在旋轉(zhuǎn)軸中心選取一點施加軸向約束。在ANSYS環(huán)境下建立剛性鏈接的方法在軸的中心線上定義兩個質(zhì)量單元(mass21)作為主節(jié)點并分別與軸上兩個鍵槽中的節(jié)點(從節(jié)點)構(gòu)成剛性區(qū)域，并在質(zhì)量單元上施加輸入扭矩(邊界條件示意圖如圖所示)。
雙缸隔膜泵動力端皮帶輪(如圖所示)材料為HT250，屬于高強度鑄鐵，為脆性材料，其機械性能為250MPa。動力端皮帶輪有限元模型的整體網(wǎng)格尺寸為5mm，對圓角和中心鍵槽處網(wǎng)格做細化處理，尺寸為8mm。鍵槽表面節(jié)點施加全約束;采用建立剛性鏈接的方法在皮帶輪中心軸線處建立一質(zhì)量單元(mass21)為主節(jié)點并將該質(zhì)量單元與皮帶輪外表面節(jié)點(從節(jié)點)建立剛性區(qū)域;在主節(jié)點質(zhì)量單元上施加輸入扭矩(邊界條件示意圖如圖所示)。ANSYS強度分析結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力位于主動軸與皮帶輪連接的鍵槽處，最大應(yīng)力為max32.17MPa，最大變形0.142mm。應(yīng)力與變形分布云圖分別如圖所示。
根據(jù)工作應(yīng)力與許用應(yīng)力的一般關(guān)系式，對主動軸的強度進行校核，其中工作應(yīng)力max=131.536MPa，許用應(yīng)力lim為材料強度極限值，S為安全系數(shù)。因主動軸在實際運行中所受載荷為恒載且受力主要為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，因此lim應(yīng)等于扭曲屈服極限，根據(jù)公式計算得扭轉(zhuǎn)屈服極限為343MPa。按機械設(shè)計手冊中的推薦值，按最危險工況即零部件的破壞會造成停車來選取可得到安全系數(shù)S=1.2-3。此時主動軸的許用應(yīng)力計算為slim/S=343/1.2=285.83MPa，因此，主動軸的靜強度能夠滿足要求。
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