隔膜泵进料阀箱盖联接螺栓在现场多次出现断裂, 致使设备经常不能连续运转。根据调查采样分析, 发现隔膜泵运行现场的管线布置方式是影响螺栓使用寿命的一个因素, 还需要考察该螺栓尺寸是否满足强度要求。
本文通过工矿分析, 分别应用传统计算与ANSYS有限元分析, 得出了螺栓的最大受力位置及应力值, 并对其进行了静强度校核及疲劳强度校核, 结合校核结果及选型计算, 给出了该螺栓的合理参数。
1 工况分析
采样结果显示, 隔膜泵设计压力为25MPa, 每个阀箱有M42×4.5双头螺柱4根, 螺柱中间缩颈处直径为32.5mm, 螺柱总长为265mm, 长端螺纹长度约100mm, 短端螺纹长度约为50mm。阀箱口通径处外圈直径270mm, 内圈直径251.2mm, 以此数据建立阀箱装配件三维模型见图1。
2 螺栓强度计算
2.1 螺栓联接的传统计算
2.1.1 M42×4.5螺柱受力计算
根据文献[1]及采样数据, 联接螺栓性能等级为10.9级, 螺纹联接件材料为40Cr, 其抗拉强度:σb=980MPa, 屈服强度:σs=785MPa挤压疲劳强度极限:
(2) 预紧力:Qp=1.8F=1.8×357665=643797N
(3) 螺柱受力最大工作拉力:
式中:bC为螺栓刚度;Cm为被联接件刚度;
(4) 最小工作拉力:Qmin=Qp=643797N
2.1.2 M42×4.5螺栓强度计算
(1) 静强度计算。
式中:1d为M42螺柱小径, 1d=37.129mm
因此, 不满足螺栓静强度要求。
(2) 疲劳强度计算。
危险截面最大拉应力:
危险截面最小拉应力:
螺柱材料对称循环拉压疲劳极限:σ-1=406MPa
由文献[1]查得:尺寸系数:εσ=0.52
平均应力折算系数:ϕσ=3.0
按螺栓应力幅计算疲劳强度安全系数见文献[2]:
由文献[1]查得变载荷应力幅许用安全系数:[Sa]=2.5~4。
M42×4.5螺栓应力幅计算安全系数Sa<[Sa], 不满足疲劳强度要求。
2.2 螺栓有限元分析
螺栓联接问题有限元分析的主要工作在于螺纹牙型处的网格划分及内外螺纹间接触对的建立, 如何在接触对引起计算时间增加的情况下, 划分牙型处足够细致的网格且不致网格整体数量过大, 保证较好的计算速度及计算结果成为螺栓联接分析的关键。
鉴于此, 本次分析采用轴对称分析方法, 对螺栓联接的简化结构进行计算, 即提取双头螺柱与阀箱联接位置模型, 简化掉双头螺柱与螺母联接处的螺纹特征, 以螺栓力替代进行分析。
轴对称模型以PLANE42单元划分网格, 螺纹牙型处网格大小为0.5mm, 整体网格尺寸为2mm, 共划分单元3825个, 节点4065个, 网格及加载型式见图2, 仅对阀箱模型固定, 螺柱外侧受螺栓拉力的情况做分析。对问题螺栓的强度分析仍按设计压力计算螺栓力
分析后显示最大应力为966.052MPa, 双头螺柱最大接触压力为256.759MPa, 中间缩颈部位的应力为444.725MPa, 螺纹处变形为0.054mm, 分析结果云图见图3。
根据螺栓分析结果显示, 最大应力发生在第一圈完整螺纹处, 同时, 前两圈螺纹的接触压力也较大, 而调研也发现螺栓的实际断裂部位一般发生在埋入阀箱端 (短螺纹端) 的第1~4圈螺纹处, 与分析结果基本相符。
由文献[3]知, 由于螺栓受拉力最大的螺纹圈与螺母受压力最大的螺纹圈相配合, 使得各圈螺纹上载荷分布的不均匀性增加, 根据N.E.茹科夫斯基对有十圈螺纹的螺母提出的螺纹各圈间力的分布图 (见图4) 知, 第一圈螺纹受载最大, 约占作用在螺钉上总力的1/3, 而在最末的第十圈上受力则不到总力的1/100, 由于牙廓误差、接触变形和局部塑性变形引起的螺纹圈变形, 使第一圈上的载荷降低至总力的1/5或1/4。
观察图3, 应力分布基本符合N.E.茹科夫斯基的螺纹载荷分布图规律, 且轴对称分析结果形成的曲线更连续。
通过ANSYS分析发现最大应力为966.052MPa, 大于2.1联接螺栓传统计算中最大应力σmax=880.8MPa, 根据2.1计算过程得知ANSYS分析结果螺栓也不满足静强度及疲劳强度要求。
2.3 螺栓规格选择计算
由文献[2]第2章第2节讲述的单个螺栓联接的强度计算方法以此为依据计算螺栓选择的最小直径。
由2.1计算过程知, 螺栓的总拉力:
螺栓危险截面的最小直径:
查文献[1]表5-1-3知, 按照第一系列选择螺栓时, 若使螺栓小径大于44.8mm, 需选择M56 (螺纹内径1d=51.670mm) 以上规格螺栓。
3 结语
由于进料阀箱内部压力在进料压力与出料压力之间反复波动, 造成进料阀箱盖联接螺栓承受交变载荷, 对螺栓材料的损伤较出料阀箱盖螺栓更严重, 致螺栓发生破坏直至疲劳断裂。
螺栓联接传统计算与ANSYS分析计算结论一致:断裂螺栓的静强度与疲劳强度均不符合要求。
根据参考文献的螺栓规格选择计算公式得出该隔膜泵进料阀箱盖联接螺栓的规格偏小, 不满足疲劳强度, 螺栓规格最小应该为M56。
摘要：针对隔膜泵中进料阀箱盖联接螺栓多次出现断裂的问题, 通过工况分析, 应用传统计算与现代CAE软件有限元分析相结合的方式, 对螺栓进行强度校核及断裂分析, 找到了螺栓断裂的原因, 并通过选型计算得出了该螺栓的合理尺寸参数。
关键词：隔膜泵,阀箱,螺栓,ANSYS
参考文献
[1] 成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社, 2006, 5.
[2] 孙志礼.机械设计[M].东北大学出版社, 2002, 2.
[3] 西交大机械零件教研室[译].机械零件[M].高等教育出版社, 1983, 12.