往复泵是一种高效节能的流体输送设备,在石油开发、矿山开采、水利水电等领域起着重要的作用。某煤直接液化项目是世界首套煤直接液化百万吨示范工程,其油煤浆进料泵为柱塞式高压往复泵,是煤液化核心设备之一,其作用是将含 w(固体颗粒)50%的油煤浆升压到20MPa后进入煤浆加热炉加热,而后再进入煤液化反应器内进行加氢反应。煤液化装置6台高压油煤浆进料泵全部从国外进口,在生产装置中起着非常重要的作用,所以有必要掌握这方面的技术。曲轴作为高压往复泵的关键运动件,其性能的优劣直接影响到泵的可靠性和使用寿命。在周期性变化的动载荷作用下,曲轴将受到交变的弯曲应力和扭转应力,极易在过渡圆角等应力集中部位发生弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。

油煤浆进料泵进出口的压差大、扬程高,且介质中固体颗粒含量多,根据国外类似试验装置的使用经验,煤液化装置采用往复泵,该泵最大流量93.8m3/h,进出口压力分别为0.458MPa(g)和 20.1MPa(g),w(固 体)含 量 高 达47.2%,泵的轴功率约为590kW。2014年开始进行国产化替代工作,研制的国产某型号三缸单作用往复泵最大排出压力可达24MPa,最大流量达60m3/h,最大功率560kW,极限工况下动力端的最大推力达到450kN,属于国内同类型往复泵中的大规格。往复泵曲轴工作中承受着交变载荷,使用过程中曲轴曲柄销的过渡圆角处容易发生疲劳断裂,因此,对曲轴进行受力计算和有限元分析,获得曲轴的应力分布情况,并对危险部位进行疲劳强度校核,显得尤为重要。采用有限元分析强度的方法解决了曲轴目前存在的设计周期长、计算精度低、计算复杂、资源浪费大、效率低等问题,也为设计开发大推力的高压往复泵曲轴提供了理论依据和技术支持。

1 曲轴的受力分析

某型号三缸单作用往复泵的 曲轴 结构 形 式 见图1,曲轴材料为42CrMo,屈服强度σs≥500MPa,抗拉 强 度σb≥750MPa。弹 性 模 量 E=2.12E+11N/m2,泊松比ε=0.28。

图1 曲轴结构

本曲轴为 三 拐 两 支 点 曲 轴,曲 轴 可 以 简 化 成简支梁结构,曲轴主轴颈中点既看成是支承点,又看成是集中 支 反 力 的 作 用 点,连 杆 力 和 旋 转 惯 性力看成是集 中 力 并 作 用 在 曲 柄 销 中 点,工 作 过 程中其所受载 荷 主 要 由 柱 塞 力、往 复 惯 性 力 和 旋 转惯性力组成,据此可以计算得到综合柱塞力,从而计算得到各 连 杆 的 连 杆 力 和 侧 向 力,根 据 连 杆 力可以求得 作 用 在 曲 柄 销 处 的 切 向 力 T和径 向 力R,最后 计 算 得 到 作 用 在 主 轴 颈 处 的 支 反 力 Na、Nb,以及各 截 面 内 力,这 些 力 均 为 曲 轴 转 角 的 函数。根据《往复泵设计》简 化 后的 曲 柄连 杆运 动示意见图2。

图2 曲柄连杆运动示意

在曲柄连杆运动示意图中,O点表示曲轴的中心,C点表示十字头中心位置(同理对应于柱塞的位置),OD 表示曲柄半径r,CD 表示连杆长度l,曲柄转角φ根据柱塞轴线顺着曲柄转动的方向定义:当φ=0°时,柱塞和曲柄销在右止点位置;当φ=180°时,柱塞和曲柄销在左止点位置。β为连杆轴线偏离柱塞轴线的角度,称为连杆摆角,逆时针为正、顺时针为负。

根据理论计算的结果分别见表1、表2和表3。当曲轴第1拐转角工作在180°<φ<240°时,第2拐转角60°<φ<120°,第3拐转角300°<φ<360°,第1拐与第3拐同时受力。

当曲轴第1拐转角工作在60°<φ<120°时,第2拐转 角 300°<φ<360°,第 3拐转 角 180°<φ<240°,第2拐与第3拐同时受力。

当曲轴第1拐转角工作在300°<φ<360°时,第2 拐转 角 180°<φ<240°,第 3拐转 角 80°<φ<120°,第1拐与第2拐同时受力。

根据曲轴的受力情况,在曲柄转角分别为φ=80°、φ=200°以及φ=320°时曲轴两拐同时受力,判断为曲轴的危险工况,针对以上3个危险工况对曲轴进行有限元分析。

表1 第1拐各转角受力

表2 第2拐各转角受力

表3 第3拐各转角受力