隔膜泵半套强度有限元计算方法研究

张艳林

摘 要：隔膜泵动力端曲轴、半套和轴承座部装是隔膜泵传动系统中的关键部件，主要作用是将曲轴旋转运动转化为十字头水平往复运动，在隔膜泵运行过程中，曲轴、半套和轴承座装配体不断承受动力端负载，半套极易发生磨损及疲劳断裂事故。对动力端半套进行应力分析，评判其强度是否满足使用要求是十分必要的。曲轴、半套和轴承座装配体有限元强度分析，有时为了简化计算，不考虑半套与轴承压盖之间的间隙，将半套考虑成整圆，这种简化处理往往是不符合实际情况，计算出的半套应力也不准。本文以某型动力端曲轴、半套和轴承座装配体为研究对象，利用Adina装配非线性计算功能，分析半套应力分布，得到半套变形和应力状态。在此基础上，研究了中间支撑轴承套带切口与不带切口的应力及变形变化，对轴承座及半套进行强度分析。分析3种工况：（1）考虑半套切口及半套与轴承套压块之间的间隙；（2）仅考虑半套切口，不考虑半套与轴承套压块之间的间隙；（3）不考虑半套切口（整套），考虑半套与轴承压块之间的间隙。

关键词：曲轴；半套；轴承座；装配体分析

中图分类号：TH32 文献标志码：A

隔膜泵动力端的主要作用是提供隔膜泵运行的动力，将曲轴旋转运动转化为十字头直线往复运动，动力端主要包括曲轴、连杆、十字头、介杆、下箱体等零部件。曲轴、半套和轴承座是动力端曲轴部装的关键件，在曲轴旋转运动过程中，曲轴和半套之间、半套和轴承座之间靠摩擦传递动力，接触面接触压力太大容易造成半套接触面直接压溃，接触压力不足造成半套与曲轴和轴承座滑动摩擦，发生磨损疲劳失效。因此，需要对半套的强度和刚度进行计算和评价。对轴承和半套强度、剛度方面的研究已有很多。

本文采用仿真模拟的手段对某型隔膜泵曲轴、半套和轴承套装配体进行了应力分析，获得了半套的应力分布和变形分布，为隔膜泵半套结构设计提供理论数据。在此基础上，研究了中间支撑轴承套带切口与不带切口的应力及变形变化，对轴承座及半套进行强度分析。分析3种工况：

（1）考虑半套切口及半套与轴承套压块之间的间隙；

（2）仅考虑半套切口，不考虑半套与轴承套压块之间的间隙；

（3）不考虑半套切口（整套），考虑半套与轴承压块之间的间隙。

由于Adina软件在结构接触非线性分析的计算精度和计算效率方面具有较强的优势，深得同行专家的认可。因此本文采用Adina软件进行分析，建立了曲轴、半套和轴承座装配体有限元模型，施加约束和接触边界条件，通过求解获得了半套的应力分布和变形状态，对3种工况半套应力结果进行比较，确定一种更加符合实际、结果相对准确的计算方法。

1 分析模型的建立

本文重点研究了半套的应力和变形状态，为了简化计算，以曲轴、半套和轴承座组成的装配体为研究对象，而不建立整个下箱体模型，曲轴半套轴承座装配体几何模型如图1所示。

将曲轴、半套和轴承座装配体模型导入Adina中，对3个零件分别采用四节点四面体单元进行网格划分，接触面的网格应当划分的相对规则，保证接触非线性计算收敛性及计算结果合理性。曲轴材料为高强度合金钢、半套材料为45#钢、轴承座材料为Q345B，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。建立的有限元模型如图2所示。

曲轴、半套和轴承座有限元分析的约束和载荷如下：对曲轴、半套及轴承座进行装配分析，施加工作活塞力于曲轴表面上，对轴承座左侧面施加X向约束，底面施加Y、Z向约束；半套及曲轴侧面施加Z向约束；轴承座与半套、半套与曲轴之间做面面接触，设置接触摩擦系数为0.1。计算3种工况：

（1）考虑半套切口2mm间隙，考虑半套与轴承座之间1mm间隙。

（2）考虑半套切口2mm间隙，不考虑半套与轴承座之间1mm间隙。

（3）认为半套无切口是个整圆，考虑半套与轴承座之间1mm间隙。

2 计算结果

通过计算获得工况1半套应力和变形结果，如图3～图6所示。

工况2和工况3计算结果云图不列出，将计算结果列入表1中，为了对比结果方便，将工况1～工况3的计算结果列入表1中。

结论

从表1可以看出，不考虑半套切口和半套与轴承座之间间隙时，半套应力和变形结果均偏小，实际结构中半套有切口、半套与轴承座之间也有间隙，建议今后分析半套应力和变形时，考虑半套切口尺寸，半套与轴承座之间间隙，尽量与实际结构保持一致，保证分析结果准确性。

参考文献

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