摘 要：氧化铝行业所用隔膜泵多为高压大流量隔膜泵，介杆作为连接动力端与液力端的重要元件，需要合理的结构型式及完整的强度校核方法。在对三缸单作用隔膜泵介杆理论分析的基础上，结合材料力学杆件稳定性分析理论，采用ANSYS软件完成不同加载方式的对比分析，得出较合理的介杆强度校核和稳定性分析方法，对隔膜泵用杆件类零件的设计研发具有一定的理论与指导意义。
关键词：隔膜泵；介杆；ANSYS；强度校核；稳定性分析
中图分类号：TQ53 文献标识码：A
1概述
隔膜泵按照液缸数及作用特点主要分为三缸单作用泵及双缸双作用泵。对于氧化铝行业用三缸单作用隔膜泵，其高压大流量的特点使隔膜泵整机的结构规模也较大，动力端十字头与液力端活塞间距离甚至超过三米，因此多采用介杆与活塞杆结合的方式来连接。
介杆（如图1）是隔膜泵中连接动力端与液力端的关键件和易损件[1]，通过对介杆进行受力分析，找出适合的有限元分析方法以完成介杆的强度校核和结构优化。而压杆稳定性分析在工程实践中亦有重要作用[2]，尤其是组合类杆件的动力稳定性问题[3]，通过稳定性分析找出介杆的柔度、截面尺寸等参数的最佳搭配，以保证隔膜泵稳定及连续的运行。
本文以某型号隔膜泵介杆为研究对象，首先根据材料力学理论分析出介杆各危险截面的应力，然后运用有限元分析软件ANSYS进行计算，分别利用传统分析方法、整体装配分析方法及换位约束、换位施加载荷的分析方法对介杆进行了三次对比分析来确定较为合理的介杆强度校核方法，然后根据材料力学的杆件稳定性分析理论对介杆进行稳定性校核。
2介杆危险截面应力的理论计算
以120t动力端隔膜泵介杆为研究对象，取介杆上三处典型结构，见图1中A、B、C处，按照材料力学理论进行强度计算[4]，介杆承受动力端连杆力为120t。
A处的应力计算：
由于 ， ， . ，由图2查得：应力集中系数 ，故 。其余两处计算结果见表1，其中圆角结构的应力集中系数见图3。
3介杆强度的有限元分析
基于ANSYS软件平台，介杆的有限元分析分别采用以下三种加载方式计算。
（1）采用1/4模型分析，在对称面施加对称约束；在与活塞杆联接面施加轴向约束；在与十字头联接面施加相当于120t连杆力的面压力，见图4。
（2）采用1/4模型分析，在对称面施加对称约束；在与十字头联接面施加轴向约束；在与活塞杆联接面施加相当于120t连杆力的面压力，见图5。
（3）采用十字头、介杆、与活塞杆装配体的1/2模型分析，视活塞杆与介杆为一体（即联接面上的节点一致），在介杆与十字头接触面设置接触；在对称面施加对称约束；在十字头与下滑板接触处施加径向约束；在活塞杆左侧端面施加X向约束；在十字头销孔处施加120t的余弦力，见图6。
上述计算方法的分析结果如表2所示。
通过分析对比介杆的计算结果（见表1和表2），可以看出：
（1）介杆A处应力值的理论计算结果与有限元计算结果均较为接近。
（2）介杆B处应力值的结果中，方法一结果较大，方法二、三的结果较为接近，且理论计算应力值小于有限元分析结果，考虑为该处圆角较小造成的应力集中。
（3） 介杆C处应力值的结果中，方法一结果较大，方法二、三结果较为接近，且理论计算结果更趋近于方法三的结果。
因此采用方法二的加载方式的有限元分析结果更为可信。
4介杆稳定性分析
工程中杆件基本分为细长杆、中长杆和粗短杆三类，不同受压杆件的失效形式如下：
细长杆（ ）----发生弹性失稳（屈曲）
中长杆（ ）----发生弹塑性失稳（屈曲）
粗短杆（ ）----发生强度破坏
其中对于碳钢及部分合金钢，
将临界载荷除以压杆截面积，即为临界应力，压杆稳定性校核公式见表3。
其中：E --材料弹性模量，MPa
I --杆件横截面的惯性矩，
μ--受压杆的长度系数，两端固定时，
ι --受压杆的长度，
--最大载荷，
a，b --与材料性能有关的系数，对于合金钢有 ，
A--杆件横截面面积mm2，
--材料许用抗拉极限，对于一般塑性材料 ， ，
介杆材料为42CrMoA，其机械性能 . ， 。
由介杆直径 ，长度915mm可知：
介杆柔度 ，为小柔度粗短杆，屈曲校核按照公式 进行。
对于一般塑性材料，取 ，端面估算截面积 ，故 。
由于 ，因此介杆稳定性校核合格。
结语
在介杆的强度分析过程中，介杆的理论计算假设介杆最右侧端面为约束面，采用二力杆模型的计算方法，计算结果与实际值略有差异，但通过三种不同有限元加载方式的分析结果可知，在与十字头联接面施加约束，在与活塞杆联接面施加载荷的加载方式与理论计算结果相差较小更为可信。
在介杆的稳定性计算过程中发现，小柔度粗短杆的稳定性仅与杆件的横截面积有关。因此，隔膜泵用介杆的分析中，以稳定性分析来校核杆件截面直径是否合格，而以有限元强度校核来衡量杆件的细节部位如缩颈、圆角等尺寸是否会影响杆件局部的强度。
参考文献
[1] 张伟，陈扬.煤化工用大型隔膜泵介杆结构优化设计[J].化学工程与装备.2012.9：45-47.
[2] 刘明超，李慧，刘俊杰.基于MATLAB的压杆稳定性分析[J].四川机械. 2012.32（4）：179-180.
[3] 赵洪金，刘超，董宁娟.周期载荷作用下组合压杆动力稳定性分析[J].建筑结构. 2011.41（2） 68-70.
[4] 单辉祖.材料力学教程[M].北京：国防工业出版社，1999.
[5]《往复泵设计》编写组.往复泵设计[M].北京：机械工业出版社 1987.
