往復(fù)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(dòng)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(shí)固定軸承外圈，僅使軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，保持軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。軸承座設(shè)計(jì)、安裝不當(dāng)會(huì)影響曲軸和軸承的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承的運(yùn)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(duì)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(yīng)力狀態(tài)，分析過程中各接觸面進(jìn)行接觸定義，螺栓連接處施加螺栓預(yù)緊力，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為隔膜泵動(dòng)力端軸承座設(shè)計(jì)和安裝工藝的制定提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：軸承座；軸承；ANSYS Workbench；裝配體分析

中圖分類號(hào)：TH323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

隔膜泵動(dòng)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(dòng)力端軸承用于支撐曲軸并保證曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著動(dòng)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(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)導(dǎo)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(dǎo)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(duì)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(jìn)行非線性有限元分析，獲得軸承座的變形和應(yīng)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(shí)際工況。文中采用ANSYSWorkbench軟件進(jìn)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(yīng)力結(jié)果，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)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(duì)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(duì)支撐板、支撐座、軸承壓蓋及軸承外圈組成的裝配體進(jìn)行分析，將三維模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸面的網(wǎng)格應(yīng)當(dāng)劃分更規(guī)則，保證接觸計(jì)算的準(zhǔn)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(yù)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(jì)算結(jié)果

將建立的軸承座裝配體有限元模型在ANSYSWorkbench靜力學(xué)分析模塊提交計(jì)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(guān)心位置的應(yīng)力結(jié)果，變形和應(yīng)力云圖分別如圖3、圖4所示。

結(jié)論

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

通過分析看出軸承座關(guān)心位置處最大應(yīng)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(qiáng)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(yù)緊力造成的該最大位移。

參考文獻(xiàn)

[1]馬煜，劉慧.基于ANSYSWorkbench的軸承座應(yīng)力分析[J].機(jī)械管理開發(fā)，2010，25（4）：32-33.

[2]仰天玲，王想連，姜土根.基于ANSYSWorkbench的軸承座分析計(jì)算[J].能源與環(huán)境，2013（4）：110-110.

[3]吳曉冬，劉志剛.CAD/CAE集成仿真的振動(dòng)輸送機(jī)軸承座有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2010（5）：44-47.

[4]武心朋.短應(yīng)力線軋機(jī)軸承座的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[C].壓力加工設(shè)備學(xué)術(shù)研討會(huì)，2011.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[6]許京荊. ANSYSWORKBENCH工程實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2015.