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雙缸隔膜泵作為煤化工行業(yè)中水煤漿等固液兩相流體輸送的關鍵設備，其動力端主要由主動軸、皮帶輪等關鍵部件所組成。其中，主動軸與動力端動力源(電機、減速機)相連接，軸在實際運轉過程中在輸入端鍵槽位置處承受相應的輸入扭矩，且主動軸的幾何形態(tài)為階梯狀并與皮帶輪進行裝配，因此在設計動力端關鍵件的過程中應充分考慮降低主動軸及皮帶輪鍵槽位置及軸階梯圓角位置處的應力集中以保證其滿足結構強度的要求，避免因應力集中而導致的疲勞破壞。本研究采用大型有限元分析軟件ANSYS對動力端主動軸和皮帶輪進行強度分析，并對分析結果進行評價。其分析方法與結論對相關產品的設計與研發(fā)具有一定的理論指導意義。
雙缸隔膜泵動力端主動軸的三維幾何模型如圖所示，軸上的兩處鍵槽分別與動力輸入端及帶輪進行裝配，鍵槽位置處承受與動力端噸位相應的扭矩。主動軸所使用材質為35CrMo(調質)，其機械性能為685MPa，490MPa。主動軸有限元模型整體網格尺寸為10mm，對鍵槽處網格做細化處理，尺寸為5mm。軸承承載面施加徑向約束，主動軸尾部階梯處施加周向約束，在旋轉軸中心選取一點施加軸向約束。在ANSYS環(huán)境下建立剛性鏈接的方法在軸的中心線上定義兩個質量單元(mass21)作為主節(jié)點并分別與軸上兩個鍵槽中的節(jié)點(從節(jié)點)構成剛性區(qū)域，并在質量單元上施加輸入扭矩(邊界條件示意圖如圖所示)。
雙缸隔膜泵動力端皮帶輪(如圖所示)材料為HT250，屬于高強度鑄鐵，為脆性材料，其機械性能為250MPa。動力端皮帶輪有限元模型的整體網格尺寸為5mm，對圓角和中心鍵槽處網格做細化處理，尺寸為8mm。鍵槽表面節(jié)點施加全約束;采用建立剛性鏈接的方法在皮帶輪中心軸線處建立一質量單元(mass21)為主節(jié)點并將該質量單元與皮帶輪外表面節(jié)點(從節(jié)點)建立剛性區(qū)域;在主節(jié)點質量單元上施加輸入扭矩(邊界條件示意圖如圖所示)。ANSYS強度分析結果顯示最大等效應力位于主動軸與皮帶輪連接的鍵槽處，最大應力為max32.17MPa，最大變形0.142mm。應力與變形分布云圖分別如圖所示。
根據(jù)工作應力與許用應力的一般關系式，對主動軸的強度進行校核，其中工作應力max=131.536MPa，許用應力lim為材料強度極限值，S為安全系數(shù)。因主動軸在實際運行中所受載荷為恒載且受力主要為扭轉應力，因此lim應等于扭曲屈服極限，根據(jù)公式計算得扭轉屈服極限為343MPa。按機械設計手冊中的推薦值，按最危險工況即零部件的破壞會造成停車來選取可得到安全系數(shù)S=1.2-3。此時主動軸的許用應力計算為slim/S=343/1.2=285.83MPa，因此，主動軸的靜強度能夠滿足要求。
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