李澤坤 沈鋮鋒 蔣超燕 童江波 賀 功

（衢州學(xué)院<機(jī)械工程學(xué)院>，浙江 衢州 324000）

0 引言

離心泵作為一種利用葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來(lái)輸送液體的裝置，已廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、食品加工、污水處理等各大領(lǐng)域。針對(duì)現(xiàn)有的單臺(tái)離心泵或雙泵在工作過(guò)程中存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)同時(shí)輸送、輸出穩(wěn)定性差、效率低和振動(dòng)大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款能實(shí)現(xiàn)軸向力平衡和雙介質(zhì)穩(wěn)定輸送的新型離心泵輸送裝置，可以實(shí)現(xiàn)兩種介質(zhì)的同時(shí)輸送。

雙介質(zhì)并聯(lián)輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分控機(jī)構(gòu)、離心泵和減振機(jī)構(gòu)等組成，當(dāng)雙介質(zhì)并聯(lián)輸送裝置工作時(shí)， 電機(jī)將動(dòng)力經(jīng)聯(lián)軸器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和分控機(jī)構(gòu)傳遞到離心泵。 其中的分控機(jī)構(gòu)是雙介質(zhì)并聯(lián)輸送裝置的關(guān)鍵部件，對(duì)稱(chēng)布置在傳動(dòng)裝置兩側(cè)，分別連接一臺(tái)離心泵，用于控制離心泵的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙介質(zhì)輸送，同時(shí)保證兩離心泵在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，完全實(shí)現(xiàn)軸向力的平衡。

圖1 雙介質(zhì)并聯(lián)輸送裝置的結(jié)構(gòu)圖

1 分控機(jī)構(gòu)的工作原理

分控機(jī)構(gòu)內(nèi)裝有牙嵌式離合器、 調(diào)節(jié)撥桿和雙節(jié)式限位器等部件，如圖2 所示。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的從動(dòng)軸通過(guò)牙嵌式離合器與離心泵軸相連， 可以通過(guò)調(diào)節(jié)撥桿和分控彈簧直接控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從動(dòng)軸和離心泵軸的接合與分離，充分將聯(lián)軸器與離合器的功能結(jié)合在一起，因此該部件的受力情況比較復(fù)雜， 直接決定雙介質(zhì)并聯(lián)輸送裝置的運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)操縱調(diào)節(jié)撥桿向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，牙嵌式離合器的可移動(dòng)半離合器被斷開(kāi)，預(yù)緊彈簧被壓縮，此時(shí)牙嵌式離合器處于分離狀態(tài)時(shí)，離心泵將處于停止?fàn)顟B(tài)， 為平衡可移動(dòng)半離合器上預(yù)緊彈簧力的作用， 需要將調(diào)節(jié)撥桿采用雙節(jié)式限位器進(jìn)行自鎖。 調(diào)節(jié)撥桿在原位時(shí)，通過(guò)預(yù)緊彈簧力的作用，保證牙嵌式離合器處于接合狀態(tài)， 離心泵的泵軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的從動(dòng)軸連接，離心泵處于運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 分控機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

本文針對(duì)雙介質(zhì)輸送裝置的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)要求，對(duì)分控機(jī)構(gòu)中的牙嵌式器、調(diào)節(jié)撥桿和雙節(jié)式限位器等主要部件進(jìn)行有限元分析。 雙介質(zhì)輸送裝置設(shè)計(jì)時(shí)，采用Solidworks 進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，本文直接采用Solidworks Simulation 進(jìn)行有限元分析， 完成零件在真實(shí)工作環(huán)境中的承載情況分析驗(yàn)證，校核工作強(qiáng)度使之滿足設(shè)計(jì)要求，縮短了樣機(jī)的試驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)返工修改的時(shí)間，也降低了制造成本。

2 分控機(jī)構(gòu)的有限元分析

2.1 牙嵌式離合器有限元分析

牙嵌式離合器是分控機(jī)構(gòu)的核心部件， 主要控制離心泵的運(yùn)行和停止。 牙嵌式離合器由兩個(gè)端面上有牙的固定半離合器和移動(dòng)半離合器組成。 固定半離合器固定在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的從動(dòng)軸上， 移動(dòng)半離合器用導(dǎo)向平鍵與離心泵軸連接， 并通過(guò)操縱調(diào)節(jié)撥桿使移動(dòng)半離合器軸向移動(dòng)， 起到接合和斷開(kāi)的作用。 首先在Solidworks 環(huán)境下進(jìn)行三維建模， 采用Solidworks Simulation 進(jìn)行有限元分析，能夠有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和自動(dòng)轉(zhuǎn)換。 在生成的集合模型上可以直接選擇材料屬性、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷并進(jìn)行求解。

在Solidworks 環(huán)境下打開(kāi)牙嵌式離合器的三維模型，點(diǎn)擊simulation 創(chuàng)建新算例，具體過(guò)程如下：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 選擇牙嵌式離合器的材料為鑄造碳鋼，其密度ρ=7.8 g/cm3，泊松比μ=0.32，彈性模量E=200 GPa。 （2）根據(jù)牙嵌式離合器的位置與作用，設(shè)置移動(dòng)半離合器為固定幾何體約束、固定半離合器為固定鉸鏈， 設(shè)置連接使兩個(gè)配套半離合器的牙相互接合，在連接選項(xiàng)中將兩個(gè)零件設(shè)置為零部件接觸；（3）根據(jù)牙嵌式離合器的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)固定半離合器添加約束力，力矩載荷大小為32.104 8 N·mm。 （4）網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格形式，且允許網(wǎng)格自由過(guò)渡，網(wǎng)格劃分后牙嵌式離合器的有限元模型如圖3 所示。在完成上述步驟的設(shè)置后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)牙嵌式離合器的有限元模型構(gòu)建，點(diǎn)擊“運(yùn)行”圖標(biāo)系統(tǒng)后自動(dòng)進(jìn)行有限元分析與計(jì)算，得到了牙嵌式離合器的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分布云圖，如圖4 所示。

解算得到的牙嵌式離合器應(yīng)力分布云圖如圖4（a）所示，可知在聯(lián)軸器接合處存在應(yīng)力集中，最大值為158.4 MPa，而屈服力為248.2 MPa，屈服力遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力值，具有較大的安全系數(shù)；牙嵌式離合器的位移分布云圖如圖4（b）所示，可知在工作工程中的形變量?jī)H為0.02 mm， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于牙嵌式離合器的牙高4 mm；應(yīng)變分布云圖如圖4（c）所示，可知形變程度也比較小。由圖4 可得，該套牙嵌式離合器符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 牙嵌離合器網(wǎng)格劃分圖

2.2 調(diào)節(jié)撥桿有限元分析

調(diào)節(jié)撥桿卡在牙嵌式離合器的環(huán)形槽上，其左右撥動(dòng)可以使離合器進(jìn)行分?jǐn)嗪徒Y(jié)合。 主要受力點(diǎn)為U形撥桿面、前后的支撐軸和球形頭部。

調(diào)節(jié)撥桿的分析步驟與牙嵌式離合器一致。 選擇調(diào)節(jié)撥桿材料為合金鋼； 設(shè)置零件螺栓為固定幾何體約束、調(diào)節(jié)撥桿螺栓孔為固定鉸鏈、U 形撥桿面為彈性支撐。將撥桿各個(gè)零件設(shè)置為零部件接觸；對(duì)調(diào)節(jié)撥桿螺栓孔添加外部力矩載荷為1 307.8 N·mm。 采用自由網(wǎng)格形式。解算后得到調(diào)節(jié)撥桿的應(yīng)力分布云圖、位移分布云圖和應(yīng)變分布云圖，如圖5 所示。

圖4 牙嵌式離合器的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分布云圖

通過(guò)調(diào)節(jié)撥桿的應(yīng)力云圖可知， 在撥桿中間段存在應(yīng)力集中， 最大值為336.5 MPa， 而屈服力為620.4 MPa，屈服力遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力值，因此調(diào)節(jié)撥桿具有較大的安全系數(shù)； 觀察調(diào)節(jié)撥桿的位移分布云圖， 調(diào)節(jié)撥桿在工作工程中的形變量?jī)H為0.06 mm；通過(guò)觀察調(diào)節(jié)撥桿的應(yīng)變分布云圖，形變程度也比較小，因此該撥桿符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 雙節(jié)式限位器有限元分析

雙節(jié)式限位器是用于撥桿的定位，防止離合器在分離的時(shí)候自復(fù)復(fù)位。 其主要受力點(diǎn)是內(nèi)限位器、限位彈簧。雙節(jié)式限位器的強(qiáng)度分析步驟與牙嵌式離合器基本一致。

雙節(jié)式限位器材料的選擇為合金鋼； 設(shè)置限位器上端面為固定幾何體約束、兩個(gè)螺孔為固定鉸鏈、限位彈簧支撐面為彈性支撐。 將限位器各個(gè)零件設(shè)置為零部件接觸；由于是雙限位裝置，限位器將均分撥桿擠壓所產(chǎn)生力， 在受壓面添加一個(gè)外部力載荷為15 N，同時(shí)限位器裝置中的扭簧產(chǎn)生一個(gè)擠壓力為20 N。 完成外部載荷設(shè)置后，采用自由網(wǎng)格形式，解算得到雙節(jié)式限位器的應(yīng)力分布云圖、位移分布云圖、應(yīng)變分布云圖，如圖6 所示。

通過(guò)雙節(jié)式限位器的應(yīng)力云圖可知，在內(nèi)限位器中存在應(yīng)力集中，屈服力遠(yuǎn)大于其最大應(yīng)力值，具有較大的安全系數(shù)；同時(shí)通過(guò)雙節(jié)式限位器的位移分布云圖和應(yīng)變分布云圖，可知調(diào)節(jié)撥桿在工作工程中的形變量?jī)H為0.01 mm，因此，該套雙節(jié)式限位器設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Solidworks Simulation 軟件對(duì)分控機(jī)構(gòu)的各部件進(jìn)行有限元分析，模擬了分控機(jī)構(gòu)在載荷作用下的位移變化和結(jié)構(gòu)變形，驗(yàn)證了各個(gè)重要部件結(jié)構(gòu)的合理性，為雙介質(zhì)并聯(lián)輸送裝置的樣機(jī)制作提供了有效借鑒依據(jù)，在理論上解決現(xiàn)有的離心泵輸送系統(tǒng)在工作過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)同時(shí)輸送以及穩(wěn)定輸出、無(wú)軸向力平衡等問(wèn)題。

圖5 調(diào)節(jié)撥桿的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分布云圖

圖6 雙節(jié)式限位器的應(yīng)力、位移和應(yīng)變分布云圖