往復式活塞隔膜泵軸承座裝配體有限元分析

鄭惟才

摘 要：軸承座及軸承壓蓋是隔膜泵動力端重要支承部件，軸承座固定在地基上用來支撐曲軸和軸承，同時固定軸承外圈，僅使軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，保持軸承運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。軸承座設計、安裝不當會影響曲軸和軸承的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，導致軸承的運行失效。本文以一種新結(jié)構(gòu)隔膜泵箱體軸承座裝配體為研究對象，利用ANSYS Workbench軟件結(jié)構(gòu)接觸非線性分析功能，分析了軸承座裝配體在工況載荷作用下的變形和應力狀態(tài)，分析過程中各接觸面進行接觸定義，螺栓連接處施加螺栓預緊力，保證了分析結(jié)果的準確性。為隔膜泵動力端軸承座設計和安裝工藝的制定提供技術參考。

關鍵詞：軸承座；軸承；ANSYS Workbench；裝配體分析

中圖分類號：TH323 文獻標識碼：A

0.前言

隔膜泵動力端軸承座部裝主要用來安裝和支撐曲軸和軸承，軸承座部裝主要由支撐板、支撐座、軸承座壓蓋及螺栓等零件組成。隔膜泵動力端軸承用于支撐曲軸并保證曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。隨著動力端噸位增大，曲軸受到的活塞力載荷也隨之增大，如果軸承座結(jié)構(gòu)設計不合理，可能會導致軸承座與軸承接觸面變形不均，在疲勞載荷作用下，可能在軸承和軸承座接觸面處發(fā)生接觸疲勞失效和磨損失效，接觸疲勞導致軸承座和軸承形成疲勞裂紋及斷裂事故發(fā)生。本文采用仿真模擬手段對支撐板、支撐座、軸承壓蓋、軸承外圈及螺栓連接組成的軸承座裝配體進行非線性有限元分析，獲得軸承座的變形和應力結(jié)果。分析過程中考慮了各零件之間的接觸狀態(tài)，確保分析更接近實際工況。文中采用ANSYSWorkbench軟件進行分析，建立了支撐板、支撐座、軸承壓蓋及軸承外圈的裝配體有限元模型，施加約束和工況載荷，通過求解獲得了軸承座裝配體模型的變形和應力結(jié)果，并對結(jié)構(gòu)進行了強度校核。

1.軸承座裝配體有限元分析

1.1 幾何模型

本文以支撐板、支撐座、軸承壓蓋及軸承外圈組成的裝配體作為研究對象，軸承座裝配體三維幾何模型如圖1所示。

1.2 有限元模型

本文對支撐板、支撐座、軸承壓蓋及軸承外圈組成的裝配體進行分析，將三維模型導入ANSYSWorkbench中，采用四節(jié)點四面體單元進行網(wǎng)格劃分，接觸面的網(wǎng)格應當劃分更規(guī)則，保證接觸計算的準確性和收斂性。軸承座裝配體材料為鋼板、軸承外圈材料為軸承鋼，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，材料屈服極限為345MPa。建立的有限元模型如圖2所示。

有限元模型的邊界條件如下：約束支撐板前端x方向位移，約束支撐板下端與地基相連面y方向和z方向位移；在軸承外圈內(nèi)表面施加工況活塞力1950kN；支撐座與軸承壓蓋聯(lián)接螺栓分別施加螺栓預緊力1800kN和1250kN；支撐板與支撐座之間建立綁定接觸面；支撐座與軸承蓋板之間、支撐座與軸承外圈之間、軸承蓋板與軸承外圈之間分別建立普通無摩擦接觸條件，具體如圖2所示。

2.計算結(jié)果

將建立的軸承座裝配體有限元模型在ANSYSWorkbench靜力學分析模塊提交計算，經(jīng)過分析獲得了支撐板、支撐座、軸承壓蓋的變形云圖及關心位置的應力結(jié)果，變形和應力云圖分別如圖3、圖4所示。

結(jié)論

通過對上述軸承座的變形應力結(jié)果進行分析，可得到如下結(jié)論：

通過分析看出軸承座關心位置處最大應力為158.33MPa，位置在支撐板與支撐座連接圓角處，材料的屈服極限是345MPa，安全系數(shù)為2.18，滿足強度使用要求，最大位移為1.55mm，位置在支撐座與軸承壓蓋聯(lián)接螺栓處，分析原因是由于螺栓預緊力造成的該最大位移。

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