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缸套是煤礦用乳化液泵中用以承受液壓力的主要零件之一。由于它的形狀復雜、壁厚不均勻，而且內(nèi)部有T形交叉孔，應力集中較大，隨著高壓、大流量乳化液泵的發(fā)展，缸套設計中僅采用傳統(tǒng)的解析計算方法進行有限元分析計算，難以確定缸套的危險點與最大應力。實際上，由于缸套承受著高頻交變應力，缸套零件的疲勞破壞是其失效的主要原因，影響著乳化液泵的使用壽命。本文針對GRBl.25/40型乳化液泵中的缸套，應用有限元法確定缸套的危險點、最大應力及應力集中系數(shù)，對缸套強度進行靜、動態(tài)分析。
缸套組件結(jié)構(gòu)如圖所示。缸套承受脈動液壓力的作用，吸液過程中，缸套內(nèi)腔壓力為零，而在排液過程中，內(nèi)腔承受著設計壓力的作用。由于其結(jié)構(gòu)特征，缸套又直接與吸排液閥組接觸，因此還由于缸套結(jié)構(gòu)對稱，可用對稱的一半缸套進行有限元應力分析，并做如下簡化。1.缸套柱塞密封左段螺紋部分因受力不大，強度無問題，故略去該段，并以集中力代替該部位承受的交變軸向力。2.施加于密封予緊力的彈簧力與液壓力相比甚小，忽略不計。3.以均布載荷代替吸、排液閥座作用在缸套上、下平面上的力及軸向限位螺堵作用在缸套上的力。
運用有限元法對液泵缸套，進行靜強度分析。缸套結(jié)構(gòu)的單元劃分，缸套的應力分析采用了以有限元位移法為基礎的線性結(jié)構(gòu)靜動態(tài)分析的程序。用有限元法模擬缸套的具體結(jié)構(gòu)及受力狀況，求得缸套各點的應力。缸套的單元劃分和節(jié)點標號示意圖如圖所示。采用周向柱面、徑向及軸向平面來劃分缸套，在這里選用的是節(jié)點三維元，其節(jié)點可在節(jié)點之間變化。為了能精確地反映出應力集中效應，在缸套T形交叉孔處，單元劃分的較密集。缸套對稱中心平面上所有節(jié)點在、X方向上位移為零，使用邊界元解決缸套園周方向彈性支承間題，同時設在缸套右端面與螺堵接觸部位單元節(jié)點在YM方向上位移為零，這樣便消除了結(jié)構(gòu)的剛體位移。缸套承受內(nèi)壓、均布力均以而力的形式讀入，缸套左段所受力以作用在各節(jié)點上的集中力輸入。缸套結(jié)構(gòu)共劃分為573個節(jié)點，一軸向剖面內(nèi)，缸套對稱中心平面上的應力比圓周方向其它點的應力大。缸套周向應力分布見圖，軸向應力分布如圖所示。經(jīng)過分析計算可知，缸套處于復雜三向應力狀態(tài)。從圖可看出，缸套的最大應力在83節(jié)點處，其最大當量應力值為59.3MPa。
在一個工作周期內(nèi)，缸套內(nèi)壓力呈近似矩形波變化，GRB125/4a乳化液泵缸套，其內(nèi)腔壓力在40MPa之間變化，缸套處于復雜交變應力狀態(tài)。1.復雜交變應力狀態(tài)下的疲勞強度準則根據(jù)畸變能理論，三向應力狀態(tài)下的疲勞強度準則(見《彈塑性力學》楊桂通編1982年)為：一個承受單向等幅完全對稱循環(huán)加載的零件，根據(jù)該零件的具體條件加以修正后的疲勞極限強度為按此計算結(jié)果，疲勞的等效靜應力超過了材料，說明圖所示缸套結(jié)構(gòu)在泵壓達40MPa時，其疲勞強度不夠。當泵壓為31.5MPa時，缸套不會有疲勞破壞。
1.缸套內(nèi)應力分布很不均勻，最大應力與最小應力相差很大。缸套以T形交叉孔與直徑突變處有較大應力集中。可通過結(jié)構(gòu)改進，改變缸套的裝拆形式減少其高應力區(qū)，消除T形交叉孔的應力集中影響。2.缸套的疲勞裂紋起源于內(nèi)表面，要注意內(nèi)表面的加工粗糙度。3.缸套疲勞弧度分析結(jié)果說明僅采用靜強度分析還不能作為高壓、大流量泵缸套設計的依據(jù)，同時應用等效靜強度理論來分析計算其疲勞強度，并應引起重視。
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