液環(huán)真空泵轉(zhuǎn)子力學(xué)性能的數(shù)值分析

　　液環(huán)真空泵是廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、礦山、電力、輕工等行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備。其轉(zhuǎn)子（葉輪和泵軸）是泵傳遞扭矩的關(guān)鍵零件之一，它的失效將直接導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組停止工作。因此，對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的計(jì)算和校核是進(jìn)行液環(huán)泵設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的計(jì)算和校核方法計(jì)算繁瑣，可靠性差；本文采用ANSYS 軟件給出一種新的計(jì)算轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的方法，它可以準(zhǔn)確地獲得應(yīng)力和變形的大小及位置，從而進(jìn)行精確的力學(xué)性能校核。計(jì)算結(jié)果表明：本文所采用的分析方法可以較好的計(jì)算和分析液環(huán)泵轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

　　液環(huán)真空泵是一種以旋轉(zhuǎn)液體作為活塞，抽吸及壓縮氣體的回轉(zhuǎn)容積泵，具有轉(zhuǎn)子與泵體無接觸、等溫壓縮等特點(diǎn)，特別適用抽吸和壓縮易燃易爆、含粉塵、水蒸汽的氣體，在石化、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)有著廣泛且不可代替的應(yīng)用。液環(huán)真空泵的轉(zhuǎn)子（由葉輪和泵軸熱入組成）是泵傳遞扭矩的關(guān)鍵零件之一，其性能直接關(guān)系到泵是否能正常工作。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法一般都是首先通過轉(zhuǎn)子傳遞的最大扭矩，計(jì)算出轉(zhuǎn)子的最小直徑；然后計(jì)算作用在轉(zhuǎn)子上的載荷，轉(zhuǎn)子不同斷面上的扭矩、軸向力和彎矩，利用解析法或圖解法確定轉(zhuǎn)子不同位置的支反力，最后利用傳統(tǒng)的計(jì)算公式進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定安全系數(shù)。如果安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)，還要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。此過程計(jì)算繁雜，計(jì)算量大，反復(fù)性強(qiáng)，而且可靠性差，很可能因?yàn)橛?jì)算誤差，造成轉(zhuǎn)子強(qiáng)度不夠而引發(fā)軸裂、軸斷事故。因此，研究一種新的準(zhǔn)確、快捷的強(qiáng)度分析方法迫在眉睫。本文采用ANSYS 軟件計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，從而分析和校核液環(huán)泵轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能。

1、液環(huán)真空泵轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸和有限元模型

　　本文研究的是佛山水泵廠生產(chǎn)的一種常規(guī)單級(jí)、單作用，徑向吸、排氣類液環(huán)泵。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸如表1。

表1 液環(huán)泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸

　　考慮到靜力結(jié)構(gòu)分析的目的和現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，我們對(duì)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行合理的簡化后，先對(duì)某一個(gè)葉片進(jìn)行建模和分析，然后擴(kuò)展到整個(gè)轉(zhuǎn)子。如圖1。

圖1 液環(huán)泵轉(zhuǎn)子模型

2、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

　　正確地選擇單元體和劃分網(wǎng)格是力學(xué)性能模擬分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。根據(jù)大量的嘗試和比較，本文采用20 節(jié)點(diǎn)的三維單元體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。葉片的網(wǎng)格尺寸為20，軸的網(wǎng)格尺寸為30；單個(gè)葉片劃分完成后總節(jié)點(diǎn)數(shù)為13031 個(gè)，單元數(shù)為6884 個(gè)。如圖2。

圖2 液環(huán)泵轉(zhuǎn)子網(wǎng)格劃分

　　在整機(jī)中，液環(huán)泵轉(zhuǎn)子的長軸一端接電機(jī)，短軸一端接機(jī)械密封；長軸由一個(gè)圓柱滾子軸承承擔(dān)徑向載荷，短軸由兩個(gè)圓錐滾子軸承組合承擔(dān)徑向和軸向載荷。該泵的使用手冊(cè)規(guī)定：在實(shí)際使用中，轉(zhuǎn)速應(yīng)在之間為宜，因此，本文分別選擇和進(jìn)行分析和校核。

　　參考文獻(xiàn)^[1] 可知：液環(huán)泵內(nèi)的流動(dòng)過程復(fù)雜，因此液環(huán)泵轉(zhuǎn)子的受力情況也復(fù)雜。液環(huán)泵葉輪在旋轉(zhuǎn)一周中，各處受力情況完全不同，是一個(gè)呈周期變化的有規(guī)律的變力作用在每一個(gè)葉片上；并且由于液體對(duì)葉片的阻力，同一葉片的不同位置受力情況也不相同。但國內(nèi)外資料均未對(duì)此進(jìn)行嚴(yán)密的分析，只是定性的說明這部分阻力小忽略不計(jì)，從未定量分析，本文在此亦忽略^[2~5] 。由參考文獻(xiàn)[1]可知：葉片所受的最大壓差在吸氣區(qū)進(jìn)入壓縮區(qū)，或壓縮區(qū)進(jìn)入排氣區(qū)時(shí)的兩個(gè)過渡區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)速為時(shí)，最大壓差為；轉(zhuǎn)速為時(shí)，最大壓差為，見表2。轉(zhuǎn)子邊界條件設(shè)置見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子邊界條件設(shè)置

　　轉(zhuǎn)子材料為QT450- 10，為鐵素體型球墨鑄鐵，它的特點(diǎn)是韌性和塑性較高且有一定的抗溫度急變性和耐蝕性^[6~7] 。其材料屬性和壓力加載見表2。

表2 轉(zhuǎn)子材料屬性和壓力加載

3、計(jì)算結(jié)果及其分析

　　條件屈服強(qiáng)度σ、抗拉強(qiáng)度σb 和變形δ 率是測(cè)定材料強(qiáng)度的三個(gè)常用性能指標(biāo)。QT450- 10沒有明顯的屈服點(diǎn)，通常把其殘余塑性變形為0.2％時(shí)的應(yīng)力值稱為條件屈服強(qiáng)度， 用表示σ0.2；其斷裂前所達(dá)到的最大應(yīng)力值，稱強(qiáng)度極限，用表示σb；本文的變形率是最大變形量與葉輪半徑的百分比^[8~11] 。