隔膜泵曲軸軸承半套裝配體接觸非線性有限元分析

張艷林（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧　沈陽　110141）

?

隔膜泵曲軸軸承半套裝配體接觸非線性有限元分析

張艷林
（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧沈陽110141）

摘要：隔膜泵曲軸部裝包括：曲軸、連桿、軸承等零件。曲軸部裝作為隔膜泵動力端的關鍵部件，在隔膜泵動力系統中發揮著重要作用。曲軸曲柄、半套和連桿軸承組成的系統是將曲軸的旋轉運動轉化為十字頭直線往復運動的關鍵部件，半套的不同設計結構尺寸會導致其在運動過程中產生不同的受力狀態和變形結果。本文利用ANSYS軟件對曲軸曲柄、半套和軸承內圈組成的裝配體進行接觸非線性有限元分析。針對兩種不同尺寸的半套結構分別進行分析，獲得了計算結果，分析了半套和曲軸曲柄接觸寬度對半套機械強度影響。分析結果對半套的設計有一定的指導意義。

關鍵詞：隔膜泵；軸承半套；接觸非線性；裝配體應力分析

固液兩相介質或純液體介質的長距離管道化輸送是近年來新發展起來的一種新型運輸方式。與傳統的運輸方式相比，長距離管道化輸送具有如下優點：建設周期短、對環境污染小、對地形適應性強及運行穩定等。作為長距離管道化輸送中的核心動力設備，隔膜泵的相關研發和制造技術已取得了長足進步。目前隔膜泵不斷向大型化發展，即隔膜泵輸送流量和工作壓力在不斷提高，對隔膜泵的研制技術提出了更高的要求。隔膜泵曲軸軸承部裝在傳遞動力的過程中受到重載荷的作用，工作環境惡劣，半套在隔膜泵長期的運行過程中會發生磨損、疲勞、斷裂等事故，造成隔膜泵停車檢修，影響了企業的生產效益。隔膜泵曲軸曲柄與連桿大端軸承的聯接結構中采用了半套裝配結構，半套結構的變形及強度將直接影響到曲軸部裝乃至整個動力端運行的穩定性。所以對半套分析是隔膜泵強度分析的重要部分。目前針對半套的研究已經做了大量的研究工作。

本文利用三維建模軟件SolidWorks建立了曲軸曲柄、半套和軸承內圈組成的裝配體模型，利用ANSYS軟件對該模型進行應力分析，針對兩種不同結構尺寸的半套結構分別進行分析，比較這兩種結構的優缺點，為曲軸軸承半套的設計提供了一定的理論依據。

1 曲軸軸承半套裝配體分析

1.1 幾何模型

隔膜泵曲軸曲柄、半套和連桿軸承內圈組成的裝配體三維模型如圖1所示。

半套形狀如圖2所示，本文分析半套與曲軸曲柄接觸面寬度分別為131.18mm 和111.18mm時，半套的應力和變形。

1.2 有限元模型

本文對曲軸曲柄、半套和軸承內圈組成的裝配體進行分析，網格劃分采用四節點四面體單元，網格應適當進行細劃，曲軸曲柄材料為合金鋼、半套材料為45#鋼、軸承內圈材料為軸承鋼，半套材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，材料屈服極限為295MPa。

該裝配體有限元分析約束和載荷如下：曲軸曲柄面施加全約束；軸承內圈與半套之間做面-面接觸；半套與曲軸曲柄之間做面-面接觸；在軸承套內圈施加175T的活塞力。曲軸曲柄、半套、軸承內圈裝配體有限元模型如圖3所示。

圖1　曲軸曲柄、半套與軸承內圈裝配圖

圖2　半套截面示意圖

圖3　軸承套裝配體有限元分析模型

圖4　軸承內圈應力及位移云圖

圖5　半套應力及位移云圖

圖6　曲軸曲柄應力及位移云圖

表1　裝配體應力和位移結果統計

表2　半套徑向位移

表3　裝配體應力和位移結果統計

表4　半套徑向位移

圖7　軸承內圈應力及位移云圖

圖8　半套應力及位移云圖

圖9　曲軸曲柄應力及位移云圖

2 計算結果

2.1 半套接觸寬度131.18mm時計算結果當曲軸曲柄與半套接觸面寬度為131.18mm時，對該裝配體進行靜力學分析，分析獲得了軸承曲柄、半套和軸承內圈的應力和位移云圖，如圖4～圖6所示。

將以上曲軸曲柄、半套和軸承內圈的計算結果進行統計，結果見表1。

為了研究曲軸曲柄與半套的接觸寬度對半套變形的影響，在半套與軸承內圈接觸的表面上任意選取兩條母線，并選取母線上三個點（兩端點和中間點），提取該三點的徑向位移，并計算徑向位移的最大差值，計算結果見表2。

2.2 半套接觸寬度111.18mm時計算結果

當曲軸曲柄與半套接觸面寬度為111.18mm時，對該裝配體進行靜力學分析，分析獲得了軸承曲柄、半套和軸承內圈的應力和位移云圖，如圖7～圖9所示。

將以上曲軸曲柄、半套和軸承內圈的計算結果進行統計，結果見表3。

提取半套母線上三點的徑向位移，并計算徑向位移的最大差值，計算結果見表4。

結論

通過對第二節中應力和位移計算結果進行分析，可得到如下結論：

（1）曲軸曲柄和半套的接觸寬度為111.18mm時，曲軸曲柄、半套和軸承內圈的應力和變形都要好于接觸寬度為131.18mm的結構，說明并不是接觸寬度越大，半套的受力越好。

（2）從表2和表4看出，兩種半套結構在徑向的變形近似相等，并且半套在外表面的變形很均勻。

參考文獻

[1]張巍，謝堅.液下泵軸承部件的結構與設計[J].石油化工設備，2012，41（02）：39-42.

[2]郭善新.高壓齒輪泵軸承套的設計改進[J].工程機械，2010（41）：45-47.

[3]何畏，劉杰，鄧嶸，等.牙輪鉆頭軸承套裝配應力有限元分析及試驗[J].石油礦場機械，2012，41（02）：33-36.

[4]成大先.北京：機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2006.

[5]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

中圖分類號：TH323

文獻標識碼：A