PDS的往复泵泵阀阀盘的可靠性分析.pdf

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基于 ANSYS/PDS的往复泵泵阀阀盘的可靠性分析
Reliability analysis for reciprocating pump valve disc based on ANSYS/PDS
峻峰,黄显茹,陈园丽,代云聪
PEL Jun-feng, HUANG Xian-ru, CHEN Yuan-li, DAI Yun-cong
(常州大学机械工程学院,常州213016)
摘要:为了验证盘的可靠牲,结合阀盛的买际结构和和受力情况,运用 ANSYS建立了盆有限元
模型并进行应力计算,再根据应力ー强度干涉理论,建立极限状态函数,利用 ANSYS/PDS模
块,选用藜特卡罗( Monte carlo)法対BW-250型往复冢泵盘进行强度可靠牲分析。结
果表明:盘可靠度为99.89%,其中盛直径和链角对其可靠性影响最大。同时也表明运用
该方法对阀盏进行可靠性分析是可行的,为阀盘的可靠性设计提供了新思路,具有一定工程
应用价值。
关键词;往复泵;泵阀;盘;可靠性分析; ANSYS/PDS模块;蒙特卡罗
中分类号:TH321;TH123+.4文献标识码:B文章编号:1009-0134(2014)05(下)-0063-03
Doi:10.3969/J.ISsn.1009-0134.2014.05(下).18
0引言
产品的生产成本。在进行机械可靠性分析时,根
阀盘是往复泵泵阀的关键零件之一,它在泵
据机械零件性能的相关因素X1,X2…,X。(如零件几
的工作中是主要的承力零件り,其工作性能的好坏何尺す、材料特性、载荷状态等)建立极限状态
直接关系到泵能否正常运转。阀盘在流体压力的函数
作用下下落与阀座接触,产生阀盘对阀座的冲击
Z=f(X,X2,…,メn)
力,该冲击力对阀盘或阀座材料的应力值带来
通常在机械产品中,零件(部件)的正常还是失
定的影响,从而引起阀盘的失效,导致泵无法正效决定于零件强度和载荷应力的关系。若将随机
常工作。随着工业技术的需求,往复泵向高速、
变量X1,X2,…,X,考虑为零件强度R和载荷应力S
大功率方向发展,于是对阀盘的工艺和结构都进则极限状态函数简化为:
行了改进,对其工作性能提出了更高要求。阀盘
Z=R-S
的传统设计是根据阀盘的强度计算确定其几何尺
上述模型称为应力-强度干涉模型。该模型是
寸,然后校核其强度,只要满足最大应力小于许
合理建立应力与强度之间的的概率设计数学模型
用应力则认为是安全的。这种方法具有一定的的控制机械产品失效概率,以达到产品设计要求。
经验性和盲目性,造成材料使用不合理,以至于1.2蒙特卡罗法
材料成本过高。针对上述问题,本文采用 ANSYS
蒙特卡罗( Monte Carlo)方法是概率统计中
PDS设计分析模块,将阀盘的几何尺寸、材料参数最常用的基本方法,可直接用于模拟各种工程
以及载荷等作为随机变量参数,采用蒙特卡罗法,真实过程。它的基本思想是建立概率统计数学模
应用应力-强度干涉理论,对阀盘的可靠性进行了型,考虑模型中应包含的风险变量,收集有关风
计算,对阀盘的设计提供了重要的指导意义。
险变量数据,确定其分布规律,根据分析精度要
1可靠性设计基本理论及方法
求确定抽样次数N,选择抽样方法(直接抽样法或
拉丁抽样法)产生随机数,根据产生的随机数,
可靠性基本理论
在各风险变量的概率分布中随机取值代入到建立
机械可靠性设计是分析产品的失效概率,它的数学模型中计算,得到N个目标值,对其进行统
把随机方法(概率论和数理统计)应用于工程设计计算,为进行可靠性分析做好准备。
计,不仅能弥补传统设计方法上存在的一些不1.3 ANSYS/PSD可靠性分析实现
足,并且能有效提高产品设计水平和质量,降低
ANSYS/PDS概率分析模块可用于评估输入参
收日期:2014-01-05
基金项目:国家自然科学基金项目(51175051)
作者简介:裴峻峰(1954-),男,江苏宜兴人,教授,博土,主要研究方向为石油石化装备可靠性与故障诊断。
第36卷第5期2014-05(下)63
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数的不确定性对于系统响应的影响行为及其
特性的。它不仅能计算得到较为准确的可靠度,
还能分析得出结构设计参数对可靠度的敏感性,
具体实现步骤为:
1)创建完整的分析文件;
2)进入PDS模块并指定分析文件;
3)定义随机输入和输出变量
4)选择概率设计分析方法
图2阀盘有限元模型
5)执行概率设计分析所需要的循环;
6)査看概率设计结果。
2阀盘的可靠性分析
2.1问题描述
本文以BW-250型往复泵泵阅为例,图1为泵
阀结构简图,其工作条件为:功率为15kW,冲次
为116次/min,流量为145L/min,压力为4.5MPa。
阀盘的材料为38 CRMOA1,其屈服极限为835
图3等效应力分布图
MPa。阀盘的运动分为两个阶段,即非关闭状态2.2可靠性分析
和关闭状态,其中关闭阶段是阀盘与阀座碰撞接
阀盘在工作中承受的最大应力不允许超过选
触的一个过程,它主要受到流体的压力和具有加
用材料的屈服极限,反之,判断其为失效。因此
速度的惯性力,而非关闭状态主要受流体压力的
定义失效准则为:m≥0、,其中「m为阀盘
作用,比较这两者,阀盘在关闭阶段受到的应力
运动中的最大等效应力值,Mpa;、为材料的屈
要比非关闭状态下的应力大。因此,这里对阀盘
服极限,Mpa。于是,定义极限状态函数为
关闭时受到的应力进行计算。
Z(X)=。-m,Z(X)≤0时,判断为失效状态,
盘
弹簧
阀腔
那么阀盘的可靠度为2(X)≥0的概率。
根据阀盘的实际工作情况,以阀盘直径
(D),阀盘锥角(ZJ),弹性模量(TXML),
密度(LO),屈服强度(QF),压力载荷(P)
为随机输入变量,定义最大等效应力(「mx)和
极限状态函数(Z)为随机输出变量,计算阀盘的
可靠度。分析中,假设上述随机输入变量均服从
高斯分布(又称正态分布)。随机输入变量统计
值如表1所示。
液红
座
表1随机输入变量统计值
随机变量分布类型均值
标准差
图1泵阀简化模型示意图
D/mm
正态分布
4.96
根据阀盘的的实际几何尺寸及工作受力情况
正态分布
4.8
进行结构简化,选用20节 solid95计算单元,由于
TXML/Mpa正态分布206000
10000
阀盘模型的不规则性,采用自由网格划分,有限
LO/tmm
正态分布6.53e-9
5.224e-10
元网格模型如图2所示,施加边界条件和载荷进行
P/Mpa
正态分布
4.5
0.36
静力分析,分析中利用将阀盘加速度与阀盘质量
选择蒙特卡罗法中的拉丁抽样法对该模型进
相乘来得到惯性力,采用静态思想来处理,得到行抽样,抽样模拟次数为300次,图4为95%置信度
阀盘的 Von