液力耦合器自同期現(xiàn)象分析

胡漢輝,蒲驍旻,譚 青

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長沙 410208;2.中南大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,長沙 410083)

液力耦合器是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性聯(lián)軸器,因其具有近空載啟動、過載保護(hù)、節(jié)能無級調(diào)速、無諧波污染電網(wǎng)而得到廣泛應(yīng)用[1].每年有4萬臺(套)液力耦合器應(yīng)用于礦山、港口、建材等行業(yè).文獻(xiàn)[2]分析了液力耦合器的振動原因,但對自同期現(xiàn)象沒有進(jìn)行深入分析,“自同期”這一概念首先出自日本學(xué)者的介紹[3],它是指在回轉(zhuǎn)機(jī)械中如果有位置可移動的物體(或子系統(tǒng)),則該物體的位置將自動的受回轉(zhuǎn)機(jī)械振動相位的影響,呈現(xiàn)一種自同期現(xiàn)象,物體位置的改變也會反過來影響回轉(zhuǎn)機(jī)械的振幅,其結(jié)果會極大地增強(qiáng)或減弱回轉(zhuǎn)機(jī)械的振動幅值.液力耦合器工作腔內(nèi)的液體分布是可變的,即當(dāng)液力耦合器轉(zhuǎn)子因為不平衡而振動時其內(nèi)腔中液體的分布會出現(xiàn)自同期現(xiàn)象.

1 液力偶合器的自同期現(xiàn)象分析

1.1 自同期現(xiàn)象分析的主要參數(shù)計算

圖1 為液力耦合器工作腔部分充液的轉(zhuǎn)子模型,偏心距為e,偏心質(zhì)量為m偏,轉(zhuǎn)子質(zhì)量為m轉(zhuǎn),液體質(zhì)量為m液,密度為ρ,轉(zhuǎn)子的厚度為H.

如果回轉(zhuǎn)機(jī)械工作頻率ω在共振頻率ωn附近時,工作腔內(nèi)液體將發(fā)生自激振動,使系統(tǒng)處于振動加劇的不穩(wěn)定狀態(tài),實際系統(tǒng)均會避免這種極端狀況的出現(xiàn),本文只對 ω不在ωn附近的情況進(jìn)行分析.

圖1 工作腔部分充液轉(zhuǎn)子模型

由于液體的,當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)械主動軸以 ω＇轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時,工作腔內(nèi)的液體在粘性作用下轉(zhuǎn)速逐漸加快,直到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ω.液體在慣性離心力作用下被甩向回轉(zhuǎn)工作腔外壁.中間部份形成空洞,如圖2所示.

圖2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時工作腔內(nèi)液體的分布

圖中O、O1為回轉(zhuǎn)機(jī)械穩(wěn)定工作時回轉(zhuǎn)工作腔靜止和運動時的中心位置,其中:X0為穩(wěn)態(tài)振幅,OXY為轉(zhuǎn)動坐標(biāo),r為回轉(zhuǎn)液體內(nèi)表面半徑.

不考慮徑向運動受力,回轉(zhuǎn)腔受力分析如下:

①軸的彈性恢復(fù)力FK:

K為軸的徑向剛度.

②偏心質(zhì)量對應(yīng)的慣性離心力F1:

從式(8)可知,當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)械工作頻率高于諧振頻率時,回轉(zhuǎn)腔內(nèi)液體對回轉(zhuǎn)機(jī)械的振動起到了衰減作用.

從式(9)可知,當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)械工作頻率低于諧振頻率時,回轉(zhuǎn)腔內(nèi)液體對回轉(zhuǎn)機(jī)械的振動起到了增強(qiáng)作用.

綜上所述,液力偶合器如果由于某種原因在回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生不平衡量而引起振動時,其腔中的液體呈現(xiàn)自同期的現(xiàn)象.液力偶合器如果運行在諧振頻率之下時,出現(xiàn)自同期現(xiàn)象是不利的;如果液力偶合器是運行在諧振頻率之上,那么其回轉(zhuǎn)腔內(nèi)的工作液體就會起到自動平衡的作用,相當(dāng)于液體平衡器,這為我們在液力耦合器的設(shè)計中提供了理論依據(jù).

2 液力偶合器諧振頻率的計算機(jī)仿真分析[4]

本文以YOTsj560水介質(zhì)調(diào)速型液力偶合器為研究對象,利用 ANSYS對其進(jìn)行計算機(jī)仿真分析[5].

計算機(jī)仿真分析結(jié)果見表1,各種振動振型如圖3所示.其中:水平方向的彎曲振動頻率為73.242 Hz;豎直方向的彎曲振動頻率為 73.325 Hz;繞軸線的扭轉(zhuǎn)振動頻率為89.446 Hz;前后方向的伸縮振動頻率為219.46 Hz.

圖3 各種振型

表1 計算機(jī)仿真分析結(jié)果

在分析液力耦合器的自同期現(xiàn)象時,主要考慮x、y軸上的振動,本文著重分析水平方向的彎曲振動和豎直方向的彎曲振動.由表1可知,YOTsj560水介質(zhì)調(diào)速型液力偶合器諧振頻率為73 Hz,所以在使用這種液力耦合器時應(yīng)避免運行在73 Hz附件,考慮自同期現(xiàn)象,最好運行在高于73 Hz的各種環(huán)境.

3 結(jié)束語

本文分析了液力偶合器回轉(zhuǎn)腔液體因回轉(zhuǎn)運動呈現(xiàn)的自同期現(xiàn)象,定量地計算了工作頻率低于或高于諧振頻率時的自同期現(xiàn)象對液力耦合器振動的影響.同時對YOTsj560水介質(zhì)調(diào)速型液力偶合器利用ANSYS進(jìn)行了計算機(jī)仿真分析,得到了其固有頻率,為液力耦合器的設(shè)計和選用提供了參考.

[1]鄭志強(qiáng),王艷月.液力耦合器工程應(yīng)用研究[J].開封大學(xué)學(xué)報,2006,20(2):87-93.

[2]江樹基.機(jī)械傳動裝置配套液力耦合器運行振動原因分析[J].煤礦機(jī)械,2009,20(9):207-209.

[3]譚 青.液體平衡器的穩(wěn)態(tài)特性的分析與應(yīng)用[J].振動、測試與診斷,1992,12(3):5l-54.

[4]褚亞旭,劉春寶,馬文星.液力耦合器三維瞬態(tài)流場大渦模擬與特性預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2008,39(10):169-173.

[5]胡漢輝,譚 青,張麗娜.Consteel電弧爐送料水冷拖板流速和溫度場的有限元分析[J].特殊鋼,2007,28(6):10-12.