隔膜泵動(dòng)力端軸承座和軸承半套裝配體接觸非線性有限元分析

張 偉（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧　沈陽(yáng)　110141）

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隔膜泵動(dòng)力端軸承座和軸承半套裝配體接觸非線性有限元分析

張 偉
（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110141）

摘要：隔膜泵動(dòng)力端曲軸軸承作為動(dòng)力端的關(guān)鍵部件，在隔膜泵傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。它的安全、可靠運(yùn)行決定著整個(gè)動(dòng)力端的穩(wěn)定運(yùn)行。曲軸軸承通過(guò)半套與動(dòng)力端下箱體裝配在一起，下箱體軸承壓塊的不同結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定著半套的受力狀態(tài)。本文利用ANSYS軟件對(duì)軸承座、軸承壓塊和半套組成的裝配體進(jìn)行接觸非線性有限元分析。針對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的軸承壓塊組成的軸承座裝配體模型分別進(jìn)行分析，獲得了三種不同裝配體結(jié)構(gòu)的軸承座、軸承壓塊和半套的應(yīng)力分析結(jié)果，從計(jì)算結(jié)果分析了不同軸承壓塊結(jié)構(gòu)對(duì)軸承座裝配體機(jī)械強(qiáng)度和變形的影響。分析結(jié)果對(duì)軸承座的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；軸承座；半套；接觸非線性；裝配體應(yīng)力分析

漿體的長(zhǎng)距離管道化輸送是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種新型運(yùn)輸方式。作為長(zhǎng)距離管道化輸送中的核心動(dòng)力設(shè)備，隔膜泵被認(rèn)為是這種運(yùn)輸過(guò)程中的“心臟”。隔膜泵性能的好壞直接決定了用戶的生產(chǎn)效益。隔膜泵動(dòng)力端曲軸部裝系統(tǒng)是整個(gè)動(dòng)力端中的核心部裝，曲軸部裝起著將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的作用，從而完成隔膜泵輸送漿體的目的。由于曲軸部裝在低速、重載、循環(huán)載荷的環(huán)境下工作，為了保證軸承受力的均勻性及長(zhǎng)使用壽命，將軸承通過(guò)半套與曲軸和軸承座裝配，避免軸承與曲軸和軸承座直接接觸，使軸承受力均勻，從而延長(zhǎng)其使用壽命。隔膜泵曲軸軸承座、半套與軸承壓塊直接采用了裝配聯(lián)接，不同的軸承壓塊結(jié)構(gòu)直接影響了軸承座及半套的強(qiáng)度。目前針對(duì)軸承座的研究已經(jīng)做了大量的研究工作。

本文利用三維建模軟件SolidWorks建立了軸承座、半套和軸承壓塊組成的裝配體模型，利用ANSYS軟件對(duì)該模型進(jìn)行應(yīng)力分析，針對(duì)三種不同的軸承壓塊結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的裝配體分別進(jìn)行分析，比較這三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為曲軸軸承座及半套的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

1 軸承座及半套裝配體分析

1.1 幾何模型

隔膜泵曲軸軸承座、半套和軸承壓塊組成的裝配體三維模型如圖1所示。

三種不同的軸承壓塊（圖2中深色部分）對(duì)應(yīng)的裝配體結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)1是軸承壓塊與半套緊密接觸；結(jié)構(gòu)2是軸承壓塊與半套之間有5mm間隙；結(jié)構(gòu)3是軸承壓塊只與軸承座接觸。

1.2 有限元模型

本文對(duì)隔膜泵曲軸軸承座、半套和軸承壓塊組成的裝配體進(jìn)行分析，網(wǎng)格劃分采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元，網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行細(xì)劃，曲軸軸承座和軸承壓塊材料為Q345B、半套材料為45#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：軸承座底面施加豎向和側(cè)向約束，前板施加水平約束；半套施加側(cè)向約束；軸承座和半套之間建立面面滑動(dòng)接觸，軸承座和壓塊之間建立面面滑動(dòng)接觸，軸承座和壓塊上表面建立面面綁定接觸（結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2）；半套和軸承壓塊之間做面面滑動(dòng)接觸（結(jié)構(gòu)1）；半套內(nèi)圈施加170t活塞力，該裝配體邊界條件如圖3所示。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 結(jié)構(gòu)1計(jì)算結(jié)果

當(dāng)曲軸軸承壓塊與半套之間緊密接觸時(shí)，對(duì)該裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析獲得了曲軸軸承座、半套和軸承壓塊的應(yīng)力和位移云圖，如圖4～圖6所示。

2.2 結(jié)構(gòu)2計(jì)算結(jié)果

當(dāng)曲軸軸承壓塊與半套之間有5mm接觸間隙時(shí)，對(duì)該裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析獲得了曲軸軸承座、半套和軸承壓塊的應(yīng)力和位移云圖，如圖7～圖9所示。

2.3 結(jié)構(gòu)3計(jì)算結(jié)果

當(dāng)曲軸軸承壓塊只與軸承座接觸時(shí)，對(duì)該裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析獲得了曲軸軸承座、半套和軸承壓塊的應(yīng)力和位移云圖，如圖10～圖12所示。

2.4 三種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總

將三種結(jié)構(gòu)中軸承座、軸承壓塊和半套的計(jì)算結(jié)果（如圖4～圖12所示）進(jìn)行分析匯總，結(jié)果主要包括了：應(yīng)力集中產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力，軸承座尖角處應(yīng)力及去除應(yīng)力集中區(qū)域后的最大應(yīng)力，所有的應(yīng)力和變形結(jié)果對(duì)分析軸承座裝配體結(jié)構(gòu)的合理性有理論意義，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)表1所示的三種裝配體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果分析可得到如下結(jié)論：

（1）分析應(yīng)力集中情況，結(jié)構(gòu)1無(wú)應(yīng)力集中情況發(fā)生，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3都有應(yīng)力集中發(fā)生，說(shuō)明結(jié)構(gòu)1較為合理。

（2）分析軸承座的應(yīng)力結(jié)果，可以看出去除軸承座應(yīng)力集中區(qū)域后，三種結(jié)構(gòu)的軸承座最大應(yīng)力范圍為116.818 MPa～119.775MPa，軸承座的應(yīng)力相差不大。

（3）分析半套的應(yīng)力結(jié)果，可以看出去除半套應(yīng)力集中區(qū)域后，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3半套的應(yīng)力幾乎相等，都是106MPa，結(jié)構(gòu)1半套的應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)較合理。

（4）分析軸承壓塊的應(yīng)力結(jié)果，可以看出三種結(jié)構(gòu)軸承壓塊的應(yīng)力都較小，對(duì)比結(jié)果看出結(jié)構(gòu)3的軸承壓塊應(yīng)力最小。

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中圖分類號(hào)：TH324

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