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往復(fù)泵是一種高效節(jié)能的流體輸送設(shè)備，在石油開(kāi)發(fā)、水利水電、礦山開(kāi)采等領(lǐng)域起著重要的作用。曲軸是往復(fù)泵中的關(guān)鍵部件，其幾何形狀復(fù)雜，工作中承受著強(qiáng)烈的交變載荷，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，極易發(fā)生疲勞破壞。某型號(hào)油田井下高壓加注用三缸單作用往復(fù)泵最大排壓可達(dá)35MP。最大排量25m3/l，最大功率150kW，為同類型中最大規(guī)格，其主要特點(diǎn)是排壓高。一般汽油機(jī)、柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力均低于10MPa、功率大，在使用過(guò)程中曲軸銷過(guò)渡圓角部分極易發(fā)生疲勞斷裂。本研究詳細(xì)分析了往復(fù)泵曲軸各部分所受外力及截面內(nèi)力，進(jìn)而采用有限元分析曲軸的整體應(yīng)力分布狀況，并對(duì)曲軸危險(xiǎn)部位的進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。在此基礎(chǔ)上，對(duì)往復(fù)泵曲軸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
某型號(hào)三缸單作用往復(fù)泵曲軸結(jié)構(gòu)形式如圖所示，曲軸材料為40Cr，尺寸參數(shù)如表所示。本曲軸為兩支點(diǎn)三拐曲軸，其所受外力主要有：作用在曲軸銷處的切向力T，和徑向力Ri(i=1,...3)，作用在主軸頸處的支反力，長(zhǎng)臂上的齒輪力Ft，F(xiàn)，這些力均為曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)。依據(jù)柱塞力、摩擦力及往復(fù)慣性力，分別計(jì)算得到各連桿的連桿力。依據(jù)連桿力在曲軸上產(chǎn)生徑向力和切向力，可以計(jì)算支反力、齒輪力，以及各截面內(nèi)力。圖為曲軸各連桿力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。根據(jù)曲軸的受力情況以及應(yīng)力集中情況，可以確定曲軸的疲勞斷裂危險(xiǎn)截面為如圖所示的7個(gè)截面，分別計(jì)算各截面的截面應(yīng)力可知曲軸最危險(xiǎn)截面為截面6其扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系如圖所示。
以表所示參數(shù)，建立曲軸的三維CAD模型，將其導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行應(yīng)力分析。采用六面體單元solid45對(duì)曲軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于曲軸銷軸頸和主軸頸的過(guò)渡圓角部分應(yīng)力集中相當(dāng)嚴(yán)重，且大部分曲軸斷裂都是發(fā)生在圓角處，所以應(yīng)對(duì)曲軸圓角的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。圖為曲軸的有限元模型，包含680008單元，186974節(jié)點(diǎn)。材料為40Cr，其彈性模量為212GPa，泊松比為0.28，曲軸在工作過(guò)程中受到交變的連桿力，旋轉(zhuǎn)及往復(fù)慣性力，其在工作中承受扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，彎曲載荷是其破壞的主要因素，且由連桿直接作用在曲軸銷上。根據(jù)有限寬度軸頸油膜壓力分布規(guī)律，假定曲軸銷處載荷邊界條件為：載荷沿曲軸銷軸頸軸線方向按二次拋物線規(guī)律分布，沿圓周120°角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布，如圖所示。截面6為曲軸的最危險(xiǎn)截面，其疲勞強(qiáng)度決定整個(gè)曲軸的疲勞強(qiáng)度。
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