隔膜泵動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（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧　沈陽　110141）

?

隔膜泵動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
（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧沈陽110141）

摘要：隔膜泵動力端曲軸軸承作為動力端的關鍵部件，在隔膜泵傳動系統中發揮著重要作用。它的安全、可靠運行決定著整個動力端的穩定運行。曲軸軸承通過半套與動力端下箱體裝配在一起，下箱體軸承壓塊的不同結構形式決定著半套的受力狀態。本文利用ANSYS軟件對軸承座、軸承壓塊和半套組成的裝配體進行接觸非線性有限元分析。針對三種不同結構的軸承壓塊組成的軸承座裝配體模型分別進行分析，獲得了三種不同裝配體結構的軸承座、軸承壓塊和半套的應力分析結果，從計算結果分析了不同軸承壓塊結構對軸承座裝配體機械強度和變形的影響。分析結果對軸承座的設計有一定的指導意義。

關鍵詞：隔膜泵；軸承座；半套；接觸非線性；裝配體應力分析

漿體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。作為長距離管道化輸送中的核心動力設備，隔膜泵被認為是這種運輸過程中的“心臟”。隔膜泵性能的好壞直接決定了用戶的生產效益。隔膜泵動力端曲軸部裝系統是整個動力端中的核心部裝，曲軸部裝起著將曲軸的旋轉運動轉化為活塞的往復直線運動的作用，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、循環載荷的環境下工作，為了保證軸承受力的均勻性及長使用壽命，將軸承通過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接，不同的軸承壓塊結構直接影響了軸承座及半套的強度。目前針對軸承座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建立了軸承座、半套和軸承壓塊組成的裝配體模型，利用ANSYS軟件對該模型進行應力分析，針對三種不同的軸承壓塊結構對應的裝配體分別進行分析，比較這三種結構的優缺點，為曲軸軸承座及半套的設計提供了一定的理論依據。

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）對應的裝配體結構如圖2所示，結構1是軸承壓塊與半套緊密接觸；結構2是軸承壓塊與半套之間有5mm間隙；結構3是軸承壓塊只與軸承座接觸。

1.2 有限元模型

本文對隔膜泵曲軸軸承座、半套和軸承壓塊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向約束，前板施加水平約束；半套施加側向約束；軸承座和半套之間建立面面滑動接觸，軸承座和壓塊之間建立面面滑動接觸，軸承座和壓塊上表面建立面面綁定接觸（結構1和結構2）；半套和軸承壓塊之間做面面滑動接觸（結構1）；半套內圈施加170t活塞力，該裝配體邊界條件如圖3所示。

2 計算結果

2.1 結構1計算結果

當曲軸軸承壓塊與半套之間緊密接觸時，對該裝配體進行靜力學分析，分析獲得了曲軸軸承座、半套和軸承壓塊的應力和位移云圖，如圖4～圖6所示。

2.2 結構2計算結果

當曲軸軸承壓塊與半套之間有5mm接觸間隙時，對該裝配體進行靜力學分析，分析獲得了曲軸軸承座、半套和軸承壓塊的應力和位移云圖，如圖7～圖9所示。

2.3 結構3計算結果

當曲軸軸承壓塊只與軸承座接觸時，對該裝配體進行靜力學分析，分析獲得了曲軸軸承座、半套和軸承壓塊的應力和位移云圖，如圖10～圖12所示。

2.4 三種結構計算結果匯總

將三種結構中軸承座、軸承壓塊和半套的計算結果（如圖4～圖12所示）進行分析匯總，結果主要包括了：應力集中產生的最大接觸應力，軸承座尖角處應力及去除應力集中區域后的最大應力，所有的應力和變形結果對分析軸承座裝配體結構的合理性有理論意義，計算結果見表1。

結論

通過對表1所示的三種裝配體結構的應力和變形計算結果分析可得到如下結論：

（1）分析應力集中情況，結構1無應力集中情況發生，結構2和結構3都有應力集中發生，說明結構1較為合理。

（2）分析軸承座的應力結果，可以看出去除軸承座應力集中區域后，三種結構的軸承座最大應力范圍為116.818 MPa～119.775MPa，軸承座的應力相差不大。

（3）分析半套的應力結果，可以看出去除半套應力集中區域后，結構2和結構3半套的應力幾乎相等，都是106MPa，結構1半套的應力較小，結構較合理。

（4）分析軸承壓塊的應力結果，可以看出三種結構軸承壓塊的應力都較小，對比結果看出結構3的軸承壓塊應力最小。

參考文獻

[1]王康軍，季祥云，羅仁全，等.抽油機中央軸承座2種形式的分析[J].石油礦場機械，2002，31（06）：55-56.

[2]方秀榮，劉軍毅.基于ABAQUS的軋輥軸承座應力分析[J].煤礦機械，2009，30（12）：79-80.

[3]楊軍，楊世文，王京濤，等.基于ANSYS的軸承座的模態分析[J].機械工程與自動化，2011（04）：56-57.

[4]張寶琴，高耀東，王占勝，等.軋機軸承座不同承載厚度的有限元模擬分析[J].礦山機械，2010，38（14）：56-58. [5]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2006.

中圖分類號：TH324

文獻標識碼：A