隔膜泵曲軸軸承半套過盈裝配壓縮量仿真研究

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過盈裝配壓縮量仿真研究

張艷林

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110141）

半套和軸承是隔膜泵動力端重要的支撐和傳動部件，其作用是支撐曲軸，連接曲軸和連桿，并將曲軸的旋轉運動轉化為連桿小端的水平往復運動，推動活塞做功。曲軸、半套和軸承之間的裝配技術直接影響半套和軸承的使用壽命，進而影響曲軸部裝的連續無故障運轉時間。本文以隔膜泵曲軸、半套和軸承內圈裝配體為研究對象，利用Adina軟件結構接觸非線性分析功能，分析了該裝配體在裝配后的徑向變形量和接觸面上壓力分布規律，分析裝配后曲軸、半套和軸承之間的貼合狀態。然后比較各個零件之間不同的過盈量和間隙量組合，以及不同半套厚度對各個零件的變形和接觸面壓力的影響，找出一種比較優化的裝配過盈量和間隙量組合，為隔膜泵動力端軸承安裝工藝提供技術參考。

軸承；半套；Adina；過盈裝配分析

0.前言

隔膜泵動力端曲軸部裝主要用來將曲軸的旋轉運動轉化為十字頭的水平往復運動，曲軸部裝主要由曲軸、軸承、連桿等零件組成。由于動力端噸位不斷增大，曲軸受到的活塞力載荷也不斷增大，曲軸橫向變形量增大，導致半套和軸承在運行一段時間后發生相對滑動，徑向變形量不均勻，進而斷裂的事故。分析原因可能是曲軸、半套和軸承裝配時各件之間裝配過盈量給的不合理，導致裝配面沒有完全貼合。當過盈量給的過大，能保證裝配面完全貼合，但會造成曲軸和軸承表面局部屈服，甚至斷裂；當過盈量給的不足，會導致裝配面不完全貼合，造成半套和軸承徑向變形不均勻，產生微動磨損，隨著運行出現干摩擦進而斷裂。因此，對曲軸、半套和軸承過盈裝配力學行為研究是十分必要的。目前，國內外專家，學者在理論、試驗和仿真模擬方面對過盈裝配的壓裝過程、摩擦系數以及壓裝工藝等問題進行了大量研究，并制定了相關標準。

本文采用仿真模擬的手段對曲軸、半套和軸承的過盈裝配過程中的接觸面壓力和徑向變形進行模擬。采用Adina軟件進行分析，建立了曲軸、半套和軸承裝配體有限元模型，施加約束和接觸邊界條件，通過求解獲得了曲軸、半套和軸承裝配體模型的變形和壓力結果，分析了曲軸、半套和軸承在裝配后的變形情況，研究了各零件之間不同的過盈量和間隙量組合，以及半套不同厚度對各個零件的變形和接觸面壓力的影響。

1.曲軸半套軸承過盈裝配分析

1.1幾何模型

為了簡化分析模型，采用曲軸某一段曲拐及相應的半套和軸承內圈作為研究對象，并且采用1/4分析模型。曲軸曲柄、半套和軸承內圈組成的裝配體三維模型如圖1所示。

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，將三維模型導入Adina中，采用四節點四面體單元進行網格劃分，接觸面的網格應當劃分的更規則，保證提取接觸面處的接觸壓力結果的準確性。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。建立的有限元模型如圖2所示。

有限元模型的約束和載荷如下：曲軸、半套和軸承內圈兩個對稱面施加對稱約束，約束曲軸中心點豎直方向位移，曲軸和半套、半套和軸承內圈之間分別建立三維面面接觸對，并設置接觸過盈量，各接觸面之間的摩擦系數為0.1。為了研究曲軸、半套和軸承之間不同的過盈量和間隙量組合，以及半套不同厚度對接觸面變形和接觸面壓力的影響，本文共分析了7種不同的工況，見表1。

圖1　曲軸、半套與軸承內圈1/4幾何模型

圖2　軸承套裝配體有限元分析模型

表1　 7種不同的過盈量及半套厚度工況（mm）

說明：表中過盈量為正代表過盈配合，過盈量為負代表間隙配合。

2.計算結果

2.1工況1的計算結果

對工況1，即曲軸和半套過盈量為0.2mm，半套和軸承內圈為間隙配合，間隙量為0.1mm，總過盈量為0.1mm時，進行接觸非線性有限元分析，獲得了曲軸、半套和軸承內圈的徑向及環向變形云圖，如圖3所示；獲得曲軸和半套、半套和軸承內圈之間接觸面的接觸壓力云圖，如圖4所示。

分別對7種工況進行分析計算，均獲得了結果，不需要列出其他工況結果云圖，而將需要的結果數據直接提取出來分析。

為了比較各工況的半套徑向變形，提取各工況半套對稱面上8個節點的徑向位移值，列入表2中。提取徑向位移的半套對稱面節點位置如圖5所示。

為了直觀顯示結果，將表2中的數據畫成曲線，如圖6～圖8所示。

結論

通過對第二節中曲軸、半套和軸承的變形和接觸壓力結果進行分析，可得到如下結論：

（1）工況1-工況4的總過盈量為0.1mm，工況5-工況7的總過盈量為0.3mm，過盈量越大，曲軸、半套和軸承的接觸面徑向變形越大；同時接觸面處的接觸壓強也越大，更能保證接觸面完全貼合；計算結果與實際情況相符，說明了分析的正確性。

圖3　曲軸、半套和軸承內圈的位移云圖

圖4　曲軸和半套、半套和軸承內圈接觸壓力云圖

圖5　提取半套節點位移的節點位置示意圖

圖6　各工況曲軸表面和軸承內表面最大徑向變形

圖7　各工況半套表面最大和最小徑向變形量之差

圖8　各工況半套環向變形

表2　曲軸、半套和軸承徑向變形（mm）

（2）半套在2mm縫隙處徑向變形量大于頂部，半套徑向不是均勻變形，過盈量不足時可能導致半套表面無法完全貼合；可以看出工況7中曲軸、半套和軸承表面完全貼合，單從徑向變形均勻度角度分析是較優的選擇。

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