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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(fù)雜、壁厚不均勻，而且內(nèi)部有T形交叉孔，應(yīng)力集中較大，隨著高壓、大流量乳化液泵的發(fā)展，缸套設(shè)計(jì)中僅采用傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法進(jìn)行有限元分析計(jì)算，難以確定缸套的危險(xiǎn)點(diǎn)與最大應(yīng)力。實(shí)際上，由于缸套承受著高頻交變應(yīng)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(duì)GRBl.25/40型乳化液泵中的缸套，應(yīng)用有限元法確定缸套的危險(xiǎn)點(diǎn)、最大應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)，對(duì)缸套強(qiáng)度進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析。
缸套組件結(jié)構(gòu)如圖所示。缸套承受脈動(dòng)液壓力的作用，吸液過(guò)程中，缸套內(nèi)腔壓力為零，而在排液過(guò)程中，內(nèi)腔承受著設(shè)計(jì)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(duì)稱，可用對(duì)稱的一半缸套進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，并做如下簡(jiǎn)化。1.缸套柱塞密封左段螺紋部分因受力不大，強(qiáng)度無(wú)問(wèn)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(jì)。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(yùn)用有限元法對(duì)液泵缸套，進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。缸套結(jié)構(gòu)的單元?jiǎng)澐郑滋椎膽?yīng)力分析采用了以有限元位移法為基礎(chǔ)的線性結(jié)構(gòu)靜動(dòng)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(diǎn)的應(yīng)力。缸套的單元?jiǎng)澐趾凸?jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)示意圖如圖所示。采用周向柱面、徑向及軸向平面來(lái)劃分缸套，在這里選用的是節(jié)點(diǎn)三維元，其節(jié)點(diǎn)可在節(jié)點(diǎn)之間變化。為了能精確地反映出應(yīng)力集中效應(yīng)，在缸套T形交叉孔處，單元?jiǎng)澐值妮^密集。缸套對(duì)稱中心平面上所有節(jié)點(diǎn)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(shí)設(shè)在缸套右端面與螺堵接觸部位單元節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上的集中力輸入。缸套結(jié)構(gòu)共劃分為573個(gè)節(jié)點(diǎn)，一軸向剖面內(nèi)，缸套對(duì)稱中心平面上的應(yīng)力比圓周方向其它點(diǎn)的應(yīng)力大。缸套周向應(yīng)力分布見(jiàn)圖，軸向應(yīng)力分布如圖所示。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可知，缸套處于復(fù)雜三向應(yīng)力狀態(tài)。從圖可看出，缸套的最大應(yīng)力在83節(jié)點(diǎn)處，其最大當(dāng)量應(yīng)力值為59.3MPa。
在一個(gè)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(fù)雜交變應(yīng)力狀態(tài)。1.復(fù)雜交變應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則根據(jù)畸變能理論，三向應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則(見(jiàn)《彈塑性力學(xué)》楊桂通編1982年)為：一個(gè)承受單向等幅完全對(duì)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(qiáng)度為按此計(jì)算結(jié)果，疲勞的等效靜應(yīng)力超過(guò)了材料，說(shuō)明圖所示缸套結(jié)構(gòu)在泵壓達(dá)40MPa時(shí)，其疲勞強(qiáng)度不夠。當(dāng)泵壓為31.5MPa時(shí)，缸套不會(huì)有疲勞破壞。
1.缸套內(nèi)應(yīng)力分布很不均勻，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力相差很大。缸套以T形交叉孔與直徑突變處有較大應(yīng)力集中。可通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改變缸套的裝拆形式減少其高應(yīng)力區(qū)，消除T形交叉孔的應(yīng)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(shuō)明僅采用靜強(qiáng)度分析還不能作為高壓、大流量泵缸套設(shè)計(jì)的依據(jù)，同時(shí)應(yīng)用等效靜強(qiáng)度理論來(lái)分析計(jì)算其疲勞強(qiáng)度，并應(yīng)引起重視。
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