隔膜泵曲轴轴承半套装配体接触非线性有限元分析

张艳林（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁　沈阳　110141）



隔膜泵曲轴轴承半套装配体接触非线性有限元分析

张艳林
（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳110141）

摘要：隔膜泵曲轴部装包括：曲轴、连杆、轴承等零件。曲轴部装作为隔膜泵动力端的关键部件，在隔膜泵动力系统中发挥着重要作用。曲轴曲柄、半套和连杆轴承组成的系统是将曲轴的旋转运动转化为十字头直线往复运动的关键部件，半套的不同设计结构尺寸会导致其在运动过程中产生不同的受力状态和变形结果。本文利用ANSYS软件对曲轴曲柄、半套和轴承内圈组成的装配体进行接触非线性有限元分析。针对两种不同尺寸的半套结构分别进行分析，获得了计算结果，分析了半套和曲轴曲柄接触宽度对半套机械强度影响。分析结果对半套的设计有一定的指导意义。

关键词：隔膜泵；轴承半套；接触非线性；装配体应力分析

固液两相介质或纯液体介质的长距离管道化输送是近年来新发展起来的一种新型运输方式。与传统的运输方式相比，长距离管道化输送具有如下优点：建设周期短、对环境污染小、对地形适应性强及运行稳定等。作为长距离管道化输送中的核心动力设备，隔膜泵的相关研发和制造技术已取得了长足进步。目前隔膜泵不断向大型化发展，即隔膜泵输送流量和工作压力在不断提高，对隔膜泵的研制技术提出了更高的要求。隔膜泵曲轴轴承部装在传递动力的过程中受到重载荷的作用，工作环境恶劣，半套在隔膜泵长期的运行过程中会发生磨损、疲劳、断裂等事故，造成隔膜泵停车检修，影响了企业的生产效益。隔膜泵曲轴曲柄与连杆大端轴承的联接结构中采用了半套装配结构，半套结构的变形及强度将直接影响到曲轴部装乃至整个动力端运行的稳定性。所以对半套分析是隔膜泵强度分析的重要部分。目前针对半套的研究已经做了大量的研究工作。

本文利用三维建模软件SolidWorks建立了曲轴曲柄、半套和轴承内圈组成的装配体模型，利用ANSYS软件对该模型进行应力分析，针对两种不同结构尺寸的半套结构分别进行分析，比较这两种结构的优缺点，为曲轴轴承半套的设计提供了一定的理论依据。

1 曲轴轴承半套装配体分析

1.1 几何模型

隔膜泵曲轴曲柄、半套和连杆轴承内圈组成的装配体三维模型如图1所示。

半套形状如图2所示，本文分析半套与曲轴曲柄接触面宽度分别为131.18mm 和111.18mm时，半套的应力和变形。

1.2 有限元模型

本文对曲轴曲柄、半套和轴承内圈组成的装配体进行分析，网格划分采用四节点四面体单元，网格应适当进行细划，曲轴曲柄材料为合金钢、半套材料为45#钢、轴承内圈材料为轴承钢，半套材料的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，材料屈服极限为295MPa。

该装配体有限元分析约束和载荷如下：曲轴曲柄面施加全约束；轴承内圈与半套之间做面-面接触；半套与曲轴曲柄之间做面-面接触；在轴承套内圈施加175T的活塞力。曲轴曲柄、半套、轴承内圈装配体有限元模型如图3所示。

图1　曲轴曲柄、半套与轴承内圈装配图

图2　半套截面示意图

图3　轴承套装配体有限元分析模型

图4　轴承内圈应力及位移云图

图5　半套应力及位移云图

图6　曲轴曲柄应力及位移云图

表1　装配体应力和位移结果统计

表2　半套径向位移

表3　装配体应力和位移结果统计

表4　半套径向位移

图7　轴承内圈应力及位移云图

图8　半套应力及位移云图

图9　曲轴曲柄应力及位移云图

2 计算结果

2.1 半套接触宽度131.18mm时计算结果当曲轴曲柄与半套接触面宽度为131.18mm时，对该装配体进行静力学分析，分析获得了轴承曲柄、半套和轴承内圈的应力和位移云图，如图4～图6所示。

将以上曲轴曲柄、半套和轴承内圈的计算结果进行统计，结果见表1。

为了研究曲轴曲柄与半套的接触宽度对半套变形的影响，在半套与轴承内圈接触的表面上任意选取两条母线，并选取母线上三个点（两端点和中间点），提取该三点的径向位移，并计算径向位移的最大差值，计算结果见表2。

2.2 半套接触宽度111.18mm时计算结果

当曲轴曲柄与半套接触面宽度为111.18mm时，对该装配体进行静力学分析，分析获得了轴承曲柄、半套和轴承内圈的应力和位移云图，如图7～图9所示。

将以上曲轴曲柄、半套和轴承内圈的计算结果进行统计，结果见表3。

提取半套母线上三点的径向位移，并计算径向位移的最大差值，计算结果见表4。

结论

通过对第二节中应力和位移计算结果进行分析，可得到如下结论：

（1）曲轴曲柄和半套的接触宽度为111.18mm时，曲轴曲柄、半套和轴承内圈的应力和变形都要好于接触宽度为131.18mm的结构，说明并不是接触宽度越大，半套的受力越好。

（2）从表2和表4看出，两种半套结构在径向的变形近似相等，并且半套在外表面的变形很均匀。

参考文献

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中图分类号：TH323

文献标识码：A