張艷林

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

隔膜泵曲軸軸承半套過盈裝配壓縮量仿真研究

張艷林

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

半套和軸承是隔膜泵動力端重要的支撐和傳動部件，其作用是支撐曲軸，連接曲軸和連桿，并將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為連桿小端的水平往復(fù)運動，推動活塞做功。曲軸、半套和軸承之間的裝配技術(shù)直接影響半套和軸承的使用壽命，進而影響曲軸部裝的連續(xù)無故障運轉(zhuǎn)時間。本文以隔膜泵曲軸、半套和軸承內(nèi)圈裝配體為研究對象，利用Adina軟件結(jié)構(gòu)接觸非線性分析功能，分析了該裝配體在裝配后的徑向變形量和接觸面上壓力分布規(guī)律，分析裝配后曲軸、半套和軸承之間的貼合狀態(tài)。然后比較各個零件之間不同的過盈量和間隙量組合，以及不同半套厚度對各個零件的變形和接觸面壓力的影響，找出一種比較優(yōu)化的裝配過盈量和間隙量組合，為隔膜泵動力端軸承安裝工藝提供技術(shù)參考。

軸承；半套；Adina；過盈裝配分析

0.前言

隔膜泵動力端曲軸部裝主要用來將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為十字頭的水平往復(fù)運動，曲軸部裝主要由曲軸、軸承、連桿等零件組成。由于動力端噸位不斷增大，曲軸受到的活塞力載荷也不斷增大，曲軸橫向變形量增大，導(dǎo)致半套和軸承在運行一段時間后發(fā)生相對滑動，徑向變形量不均勻，進而斷裂的事故。分析原因可能是曲軸、半套和軸承裝配時各件之間裝配過盈量給的不合理，導(dǎo)致裝配面沒有完全貼合。當(dāng)過盈量給的過大，能保證裝配面完全貼合，但會造成曲軸和軸承表面局部屈服，甚至斷裂；當(dāng)過盈量給的不足，會導(dǎo)致裝配面不完全貼合，造成半套和軸承徑向變形不均勻，產(chǎn)生微動磨損，隨著運行出現(xiàn)干摩擦進而斷裂。因此，對曲軸、半套和軸承過盈裝配力學(xué)行為研究是十分必要的。目前，國內(nèi)外專家，學(xué)者在理論、試驗和仿真模擬方面對過盈裝配的壓裝過程、摩擦系數(shù)以及壓裝工藝等問題進行了大量研究，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

本文采用仿真模擬的手段對曲軸、半套和軸承的過盈裝配過程中的接觸面壓力和徑向變形進行模擬。采用Adina軟件進行分析，建立了曲軸、半套和軸承裝配體有限元模型，施加約束和接觸邊界條件，通過求解獲得了曲軸、半套和軸承裝配體模型的變形和壓力結(jié)果，分析了曲軸、半套和軸承在裝配后的變形情況，研究了各零件之間不同的過盈量和間隙量組合，以及半套不同厚度對各個零件的變形和接觸面壓力的影響。

1.曲軸半套軸承過盈裝配分析

1.1幾何模型

為了簡化分析模型，采用曲軸某一段曲拐及相應(yīng)的半套和軸承內(nèi)圈作為研究對象，并且采用1/4分析模型。曲軸曲柄、半套和軸承內(nèi)圈組成的裝配體三維模型如圖1所示。

1.2有限元模型

本文對曲軸曲柄、半套和軸承內(nèi)圈組成的裝配體進行分析，將三維模型導(dǎo)入Adina中，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(yīng)當(dāng)劃分的更規(guī)則，保證提取接觸面處的接觸壓力結(jié)果的準(zhǔn)確性。曲軸曲柄材料為合金鋼、半套材料為45#鋼、軸承內(nèi)圈材料為軸承鋼，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。

有限元模型的約束和載荷如下：曲軸、半套和軸承內(nèi)圈兩個對稱面施加對稱約束，約束曲軸中心點豎直方向位移，曲軸和半套、半套和軸承內(nèi)圈之間分別建立三維面面接觸對，并設(shè)置接觸過盈量，各接觸面之間的摩擦系數(shù)為0.1。為了研究曲軸、半套和軸承之間不同的過盈量和間隙量組合，以及半套不同厚度對接觸面變形和接觸面壓力的影響，本文共分析了7種不同的工況，見表1。

圖1　曲軸、半套與軸承內(nèi)圈1/4幾何模型

圖2　軸承套裝配體有限元分析模型

表1　 7種不同的過盈量及半套厚度工況（mm）

說明：表中過盈量為正代表過盈配合，過盈量為負(fù)代表間隙配合。

2.計算結(jié)果

2.1工況1的計算結(jié)果

對工況1，即曲軸和半套過盈量為0.2mm，半套和軸承內(nèi)圈為間隙配合，間隙量為0.1mm，總過盈量為0.1mm時，進行接觸非線性有限元分析，獲得了曲軸、半套和軸承內(nèi)圈的徑向及環(huán)向變形云圖，如圖3所示；獲得曲軸和半套、半套和軸承內(nèi)圈之間接觸面的接觸壓力云圖，如圖4所示。

分別對7種工況進行分析計算，均獲得了結(jié)果，不需要列出其他工況結(jié)果云圖，而將需要的結(jié)果數(shù)據(jù)直接提取出來分析。

為了比較各工況的半套徑向變形，提取各工況半套對稱面上8個節(jié)點的徑向位移值，列入表2中。提取徑向位移的半套對稱面節(jié)點位置如圖5所示。

為了直觀顯示結(jié)果，將表2中的數(shù)據(jù)畫成曲線，如圖6～圖8所示。

結(jié)論

通過對第二節(jié)中曲軸、半套和軸承的變形和接觸壓力結(jié)果進行分析，可得到如下結(jié)論：

（1）工況1-工況4的總過盈量為0.1mm，工況5-工況7的總過盈量為0.3mm，過盈量越大，曲軸、半套和軸承的接觸面徑向變形越大；同時接觸面處的接觸壓強也越大，更能保證接觸面完全貼合；計算結(jié)果與實際情況相符，說明了分析的正確性。

圖3　曲軸、半套和軸承內(nèi)圈的位移云圖

圖4　曲軸和半套、半套和軸承內(nèi)圈接觸壓力云圖

圖5　提取半套節(jié)點位移的節(jié)點位置示意圖

圖6　各工況曲軸表面和軸承內(nèi)表面最大徑向變形

圖7　各工況半套表面最大和最小徑向變形量之差

圖8　各工況半套環(huán)向變形

表2　曲軸、半套和軸承徑向變形（mm）

（2）半套在2mm縫隙處徑向變形量大于頂部，半套徑向不是均勻變形，過盈量不足時可能導(dǎo)致半套表面無法完全貼合；可以看出工況7中曲軸、半套和軸承表面完全貼合，單從徑向變形均勻度角度分析是較優(yōu)的選擇。

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