水泵在使用过程中出现水泵漏水及轴连轴承松旷等失效形式。通过应用 Abaqus 分析软件模拟水泵的实际工作状态，模拟分析轴承和水封的变形。找到水泵失效的主要因素并加以改进。

1.计算单位及材料参数

计算单位：长度 mm，力 N，应力 Mpa水泵壳体材料为 ZL112，水封材料为钢，皮带轮材料为 SPCC，轴承材料为 GCr15，具体材料参数见表 1。

表 1 材料参数

2.有限元模型

水泵使用轴承为双列滚珠轴承，将水封简化为一个整体。壳体采用四面体划分，皮带轮、水封、轴承均采用六面体划分。按照水泵实际工作状态施加约束和载荷，利用 Abaqus/Standard 进行有限元分析。

图 1 有限元分析模型

图 2 轴承内部结构

3.分析结果

图 3 水封受力及变形情况

图 4 轴承内圈受力及变形情况

图 5 轴承外圈受力及变形情况

图 6 轴承滚珠受力及变形情况

表 2 各零件受力及变形情况

通过计算可知，在水泵使用双列滚珠轴承的时候，轴承滚珠局部所受最大应力为2363MPa ，远远超过了 GCr15的屈服极限 1814MPa ，产生塑性变形（最大变形量为 2.707mm），使其不能正常运转，水泵失效。于是对轴承提出改进，将其换成球柱混合轴承，具体结构见图 7。

图 7 改进后轴承内部结构

4.改进后（球柱混合轴承）分析结果

图 8 改进后水封受力及变形情况

图 9 改进后轴承内圈受力及变形情况

图 10 改进后轴承外圈受力及变形情况

图 11 改进后轴承滚珠受力变形情况

图 12 改进后轴承滚针受力变形情况

表 3 改进前后各零件受力及变形情况

5.结论

通过计算可知，目前使用双列滚珠轴承的水泵轴承滚珠局部所受最大应力超过了 GCr15 的屈服极限，导致水泵失效。将轴承更换为球柱混合轴承，大大降低了轴承所受最大应力，减小零件变形，满足设计需要。

资料来源：达索官方