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基于ANSYS的偏心转子泵强度有限元分析

发布于:2019-08-08 18:02
有限元分析

      偏心蠕动式转子泵采用独特的偏心蠕动机构作为液力端型式,具有结构紧凑、重量小、便于携带等特点,其结构如图所示。该泵借助电机轴驱动偏心轴套旋转,同时带动聚甲醛转子在泵体内作平面蠕动运动,转子与泵体、陶瓷隔板以及隔离元件构成两个密闭容腔,当电机启动后,与进口相通的容腔不断增大吸入介质,与出口相通的容腔不断缩小排出介质,这样便可实现增压输送介质。转子是偏心蠕动式转子泵最重要的介质输送零件,承受复杂的交变载荷,并且转子泵依靠间隙密封增压输送介质,间隙大小的设计计算十分重要。该泵采用非金属材料转子,其所受应力及变形的大小,将直接影响泵的性能以及可靠性,因此对该泵转子强度、刚度的有限元分析具有重要的工程应用价值。
      鉴于转子的几何外形特征不规则以及所受载荷不对称的情况,文中建立了转子整体的三维有限元模型,采用20节点的六面体单元以及SWEEP网格划分法,将转子三维模型划分成16875个单元,101683个节点,网格模型如图所示。其中非金属材料聚甲醛的力学性能分别为弹性模量5000 MPa,抗拉强度70 MPa,抗压强度130 MPa,泊松比0.36。
      偏心蠕动式吸排结构运动状况以及受力情况复杂,国内外对其运动学、动力学的研究文献较少。文中以转子泵排液行程工况作为研究对象,转子受到排出压力以及隔离元件的反作用力FN的作用,其受力分析如图所示。泵工作时,转子处在排出容腔的圆周表面承受不变的力,而隔离元件对转子的FN的大小以及作用点随结构转动发生周期性变化。在计算时,采用准动态模拟分析方法,选取转子与泵体的6个工况进行受力分析,将动力知识题转化成静力知识题来处理,任意时刻转子的约束主要有3部分,分别为隔离元件对转子的X轴方向的约束,转子与泵体接触线上的全约束和偏心轴套对转子内表面的对称支承约束;载荷由作用在圆周面的面压力载荷几和由隔离元件对转子的反作用力FN引起的接触线上节点的节点力组成,各角度转子的约束、载荷的施加如图所示。
      应用ANSYS有限元App进行计算,得到转子各个角度应力云图,如图所示。由图可以看出,在已模拟的6个工况中,随着角度的增大,应力逐步增大,在30°工况下转子应力最大值为2.207 MPa是6个工况中最小值,出现在转子与泵体的接触线部位,在180°工况下转子有最大应力为4.898 MPa,是6个工况中最大值,出现在转子内表面孔径突变处,最大应力4.898 MPa远小于聚甲醛材料的许用应力值70 MPa,说明转子材料的强度是足够的。除去30°工况,其余工况的最大应力都出现在转子内表面孔径突变处,并且与传统的材料力学分析方法将转子简化成悬臂梁的危险截面相符。采用有限元App进行计算,得到转子各个角度变形云图。由图可以看出,在已模拟的6个工况中,随着角度的增大,变形量先是逐渐增大的,在120°工况时达到最大,再缓慢变小,在30°工况时转子有最大变形量为0.007 mm是6个工况中最小变形量,对称分布在转子承受排出压力面的两端,在120°工况下转子有最大变形量为0.015 mm是6工况中最大变形量,也是对称分布在转子承受排出压力面的两端。6个工况的最大变形都是出现在转子承受排出压力面的两端,与采用传统的材料力学分析方法将转子简化成悬臂梁的最大挠度位置相符。



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