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(tǒng)中的關鍵部件，主要作用是將曲軸旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(fā)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(tài)。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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)設計提供理論數(shù)據(jù)。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(jié)構(gòu)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(yōu)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(tài)，對3種工況半套應力結(jié)果進行比較，確定一種更加符合實際、結(jié)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(tài)，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(jié)點四面體單元進行網(wǎng)格劃分，接觸面的網(wǎng)格應當劃分的相對規(guī)則，保證接觸非線性計算收斂性及計算結(jié)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(cè)面施加X向約束，底面施加Y、Z向約束；半套及曲軸側(cè)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(shù)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(jié)果

通過計算獲得工況1半套應力和變形結(jié)果，如圖3～圖6所示。

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

結(jié)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(jié)果均偏小，實際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)保持一致，保證分析結(jié)果準確性。

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