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

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隔膜泵曲軸軸承半套裝配體接觸非線性有限元分析

張艷林
（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(dòng)力端的關(guān)鍵部件，在隔膜泵動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。曲軸曲柄、半套和連桿軸承組成的系統(tǒng)是將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為十字頭直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，半套的不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)導(dǎo)致其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生不同的受力狀態(tài)和變形結(jié)果。本文利用ANSYS軟件對(duì)曲軸曲柄、半套和軸承內(nèi)圈組成的裝配體進(jìn)行接觸非線性有限元分析。針對(duì)兩種不同尺寸的半套結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析，獲得了計(jì)算結(jié)果，分析了半套和曲軸曲柄接觸寬度對(duì)半套機(jī)械強(qiáng)度影響。分析結(jié)果對(duì)半套的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

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

固液兩相介質(zhì)或純液體介質(zhì)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。與傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式相比，長(zhǎng)距離管道化輸送具有如下優(yōu)點(diǎn)：建設(shè)周期短、對(duì)環(huán)境污染小、對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)及運(yùn)行穩(wěn)定等。作為長(zhǎng)距離管道化輸送中的核心動(dòng)力設(shè)備，隔膜泵的相關(guān)研發(fā)和制造技術(shù)已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前隔膜泵不斷向大型化發(fā)展，即隔膜泵輸送流量和工作壓力在不斷提高，對(duì)隔膜泵的研制技術(shù)提出了更高的要求。隔膜泵曲軸軸承部裝在傳遞動(dòng)力的過(guò)程中受到重載荷的作用，工作環(huán)境惡劣，半套在隔膜泵長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生磨損、疲勞、斷裂等事故，造成隔膜泵停車檢修，影響了企業(yè)的生產(chǎn)效益。隔膜泵曲軸曲柄與連桿大端軸承的聯(lián)接結(jié)構(gòu)中采用了半套裝配結(jié)構(gòu)，半套結(jié)構(gòu)的變形及強(qiáng)度將直接影響到曲軸部裝乃至整個(gè)動(dòng)力端運(yùn)行的穩(wěn)定性。所以對(duì)半套分析是隔膜泵強(qiáng)度分析的重要部分。目前針對(duì)半套的研究已經(jīng)做了大量的研究工作。

本文利用三維建模軟件SolidWorks建立了曲軸曲柄、半套和軸承內(nèi)圈組成的裝配體模型，利用ANSYS軟件對(duì)該模型進(jìn)行應(yīng)力分析，針對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸的半套結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析，比較這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為曲軸軸承半套的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

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(nèi)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(shí)，半套的應(yīng)力和變形。

1.2 有限元模型

本文對(duì)曲軸曲柄、半套和軸承內(nèi)圈組成的裝配體進(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，曲軸曲柄材料為合金鋼、半套材料為45#鋼、軸承內(nèi)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(nèi)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(nèi)圈施加175T的活塞力。曲軸曲柄、半套、軸承內(nèi)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(nèi)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(nèi)圈應(yīng)力及位移云圖

圖5　半套應(yīng)力及位移云圖

圖6　曲軸曲柄應(yīng)力及位移云圖

表1　裝配體應(yīng)力和位移結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2　半套徑向位移

表3　裝配體應(yīng)力和位移結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4　半套徑向位移

圖7　軸承內(nèi)圈應(yīng)力及位移云圖

圖8　半套應(yīng)力及位移云圖

圖9　曲軸曲柄應(yīng)力及位移云圖

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 半套接觸寬度131.18mm時(shí)計(jì)算結(jié)果當(dāng)曲軸曲柄與半套接觸面寬度為131.18mm時(shí)，對(duì)該裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析獲得了軸承曲柄、半套和軸承內(nèi)圈的應(yīng)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(nèi)圈的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

為了研究曲軸曲柄與半套的接觸寬度對(duì)半套變形的影響，在半套與軸承內(nèi)圈接觸的表面上任意選取兩條母線，并選取母線上三個(gè)點(diǎn)（兩端點(diǎn)和中間點(diǎn)），提取該三點(diǎn)的徑向位移，并計(jì)算徑向位移的最大差值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2 半套接觸寬度111.18mm時(shí)計(jì)算結(jié)果

當(dāng)曲軸曲柄與半套接觸面寬度為111.18mm時(shí)，對(duì)該裝配體進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析獲得了軸承曲柄、半套和軸承內(nèi)圈的應(yīng)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(nèi)圈的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

提取半套母線上三點(diǎn)的徑向位移，并計(jì)算徑向位移的最大差值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)第二節(jié)中應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)論：

（1）曲軸曲柄和半套的接觸寬度為111.18mm時(shí)，曲軸曲柄、半套和軸承內(nèi)圈的應(yīng)力和變形都要好于接觸寬度為131.18mm的結(jié)構(gòu)，說(shuō)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(jié)構(gòu)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(xiàn)

[1]張巍，謝堅(jiān).液下泵軸承部件的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備，2012，41（02）：39-42.

[2]郭善新.高壓齒輪泵軸承套的設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].工程機(jī)械，2010（41）：45-47.

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

[4]成大先.北京：機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

中圖分類號(hào)：TH323

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