隔膜泵动力端轴承座和轴承半套装配体接触非线性有限元分析

张 伟（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁　沈阳　110141）



隔膜泵动力端轴承座和轴承半套装配体接触非线性有限元分析

张 伟
（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳110141）

摘要：隔膜泵动力端曲轴轴承作为动力端的关键部件，在隔膜泵传动系统中发挥着重要作用。它的安全、可靠运行决定着整个动力端的稳定运行。曲轴轴承通过半套与动力端下箱体装配在一起，下箱体轴承压块的不同结构形式决定着半套的受力状态。本文利用ANSYS软件对轴承座、轴承压块和半套组成的装配体进行接触非线性有限元分析。针对三种不同结构的轴承压块组成的轴承座装配体模型分别进行分析，获得了三种不同装配体结构的轴承座、轴承压块和半套的应力分析结果，从计算结果分析了不同轴承压块结构对轴承座装配体机械强度和变形的影响。分析结果对轴承座的设计有一定的指导意义。

关键词：隔膜泵；轴承座；半套；接触非线性；装配体应力分析

浆体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。作为长距离管道化输送中的核心动力设备，隔膜泵被认为是这种运输过程中的“心脏”。隔膜泵性能的好坏直接决定了用户的生产效益。隔膜泵动力端曲轴部装系统是整个动力端中的核心部装，曲轴部装起着将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复直线运动的作用，从而完成隔膜泵输送浆体的目的。由于曲轴部装在低速、重载、循环载荷的环境下工作，为了保证轴承受力的均匀性及长使用寿命，将轴承通过半套与曲轴和轴承座装配，避免轴承与曲轴和轴承座直接接触，使轴承受力均匀，从而延长其使用寿命。隔膜泵曲轴轴承座、半套与轴承压块直接采用了装配联接，不同的轴承压块结构直接影响了轴承座及半套的强度。目前针对轴承座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建立了轴承座、半套和轴承压块组成的装配体模型，利用ANSYS软件对该模型进行应力分析，针对三种不同的轴承压块结构对应的装配体分别进行分析，比较这三种结构的优缺点，为曲轴轴承座及半套的设计提供了一定的理论依据。

1 轴承座及半套装配体分析

1.1 几何模型

隔膜泵曲轴轴承座、半套和轴承压块组成的装配体三维模型如图1所示。

三种不同的轴承压块（图2中深色部分）对应的装配体结构如图2所示，结构1是轴承压块与半套紧密接触；结构2是轴承压块与半套之间有5mm间隙；结构3是轴承压块只与轴承座接触。

1.2 有限元模型

本文对隔膜泵曲轴轴承座、半套和轴承压块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，曲轴轴承座和轴承压块材料为Q345B、半套材料为45#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：轴承座底面施加竖向和侧向约束，前板施加水平约束；半套施加侧向约束；轴承座和半套之间建立面面滑动接触，轴承座和压块之间建立面面滑动接触，轴承座和压块上表面建立面面绑定接触（结构1和结构2）；半套和轴承压块之间做面面滑动接触（结构1）；半套内圈施加170t活塞力，该装配体边界条件如图3所示。

2 计算结果

2.1 结构1计算结果

当曲轴轴承压块与半套之间紧密接触时，对该装配体进行静力学分析，分析获得了曲轴轴承座、半套和轴承压块的应力和位移云图，如图4～图6所示。

2.2 结构2计算结果

当曲轴轴承压块与半套之间有5mm接触间隙时，对该装配体进行静力学分析，分析获得了曲轴轴承座、半套和轴承压块的应力和位移云图，如图7～图9所示。

2.3 结构3计算结果

当曲轴轴承压块只与轴承座接触时，对该装配体进行静力学分析，分析获得了曲轴轴承座、半套和轴承压块的应力和位移云图，如图10～图12所示。

2.4 三种结构计算结果汇总

将三种结构中轴承座、轴承压块和半套的计算结果（如图4～图12所示）进行分析汇总，结果主要包括了：应力集中产生的最大接触应力，轴承座尖角处应力及去除应力集中区域后的最大应力，所有的应力和变形结果对分析轴承座装配体结构的合理性有理论意义，计算结果见表1。

结论

通过对表1所示的三种装配体结构的应力和变形计算结果分析可得到如下结论：

（1）分析应力集中情况，结构1无应力集中情况发生，结构2和结构3都有应力集中发生，说明结构1较为合理。

（2）分析轴承座的应力结果，可以看出去除轴承座应力集中区域后，三种结构的轴承座最大应力范围为116.818 MPa～119.775MPa，轴承座的应力相差不大。

（3）分析半套的应力结果，可以看出去除半套应力集中区域后，结构2和结构3半套的应力几乎相等，都是106MPa，结构1半套的应力较小，结构较合理。

（4）分析轴承压块的应力结果，可以看出三种结构轴承压块的应力都较小，对比结果看出结构3的轴承压块应力最小。

参考文献

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中图分类号：TH324

文献标识码：A