隔膜泵半套強度有限元計算方法研究

張艷林

摘 要：隔膜泵動力端曲軸、半套和軸承座部裝是隔膜泵傳動系統中的關鍵部件，主要作用是將曲軸旋轉運動轉化為十字頭水平往復運動，在隔膜泵運行過程中，曲軸、半套和軸承座裝配體不斷承受動力端負載，半套極易發生磨損及疲勞斷裂事故。對動力端半套進行應力分析，評判其強度是否滿足使用要求是十分必要的。曲軸、半套和軸承座裝配體有限元強度分析，有時為了簡化計算，不考慮半套與軸承壓蓋之間的間隙，將半套考慮成整圓，這種簡化處理往往是不符合實際情況，計算出的半套應力也不準。本文以某型動力端曲軸、半套和軸承座裝配體為研究對象，利用Adina裝配非線性計算功能，分析半套應力分布，得到半套變形和應力狀態。在此基礎上，研究了中間支撐軸承套帶切口與不帶切口的應力及變形變化，對軸承座及半套進行強度分析。分析3種工況：（1）考慮半套切口及半套與軸承套壓塊之間的間隙；（2）僅考慮半套切口，不考慮半套與軸承套壓塊之間的間隙；（3）不考慮半套切口（整套），考慮半套與軸承壓塊之間的間隙。

關鍵詞：曲軸；半套；軸承座；裝配體分析

中圖分類號：TH32 文獻標志碼：A

隔膜泵動力端的主要作用是提供隔膜泵運行的動力，將曲軸旋轉運動轉化為十字頭直線往復運動，動力端主要包括曲軸、連桿、十字頭、介桿、下箱體等零部件。曲軸、半套和軸承座是動力端曲軸部裝的關鍵件，在曲軸旋轉運動過程中，曲軸和半套之間、半套和軸承座之間靠摩擦傳遞動力，接觸面接觸壓力太大容易造成半套接觸面直接壓潰，接觸壓力不足造成半套與曲軸和軸承座滑動摩擦，發生磨損疲勞失效。因此，需要對半套的強度和剛度進行計算和評價。對軸承和半套強度、剛度方面的研究已有很多。

本文采用仿真模擬的手段對某型隔膜泵曲軸、半套和軸承套裝配體進行了應力分析，獲得了半套的應力分布和變形分布，為隔膜泵半套結構設計提供理論數據。在此基礎上，研究了中間支撐軸承套帶切口與不帶切口的應力及變形變化，對軸承座及半套進行強度分析。分析3種工況：

（1）考慮半套切口及半套與軸承套壓塊之間的間隙；

（2）僅考慮半套切口，不考慮半套與軸承套壓塊之間的間隙；

（3）不考慮半套切口（整套），考慮半套與軸承壓塊之間的間隙。

由于Adina軟件在結構接觸非線性分析的計算精度和計算效率方面具有較強的優勢，深得同行專家的認可。因此本文采用Adina軟件進行分析，建立了曲軸、半套和軸承座裝配體有限元模型，施加約束和接觸邊界條件，通過求解獲得了半套的應力分布和變形狀態，對3種工況半套應力結果進行比較，確定一種更加符合實際、結果相對準確的計算方法。

1 分析模型的建立

本文重點研究了半套的應力和變形狀態，為了簡化計算，以曲軸、半套和軸承座組成的裝配體為研究對象，而不建立整個下箱體模型，曲軸半套軸承座裝配體幾何模型如圖1所示。

將曲軸、半套和軸承座裝配體模型導入Adina中，對3個零件分別采用四節點四面體單元進行網格劃分，接觸面的網格應當劃分的相對規則，保證接觸非線性計算收斂性及計算結果合理性。曲軸材料為高強度合金鋼、半套材料為45#鋼、軸承座材料為Q345B，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。建立的有限元模型如圖2所示。

曲軸、半套和軸承座有限元分析的約束和載荷如下：對曲軸、半套及軸承座進行裝配分析，施加工作活塞力于曲軸表面上，對軸承座左側面施加X向約束，底面施加Y、Z向約束；半套及曲軸側面施加Z向約束；軸承座與半套、半套與曲軸之間做面面接觸，設置接觸摩擦系數為0.1。計算3種工況：

（1）考慮半套切口2mm間隙，考慮半套與軸承座之間1mm間隙。

（2）考慮半套切口2mm間隙，不考慮半套與軸承座之間1mm間隙。

（3）認為半套無切口是個整圓，考慮半套與軸承座之間1mm間隙。

2 計算結果

通過計算獲得工況1半套應力和變形結果，如圖3～圖6所示。

工況2和工況3計算結果云圖不列出，將計算結果列入表1中，為了對比結果方便，將工況1～工況3的計算結果列入表1中。

結論

從表1可以看出，不考慮半套切口和半套與軸承座之間間隙時，半套應力和變形結果均偏小，實際結構中半套有切口、半套與軸承座之間也有間隙，建議今后分析半套應力和變形時，考慮半套切口尺寸，半套與軸承座之間間隙，盡量與實際結構保持一致，保證分析結果準確性。

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