基于環(huán)量分配法的某型號液力變矩器葉片設(shè)計(jì)

梁 然，李傳威，李風(fēng)娟

(萊鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271100)

液力變矩器是工程機(jī)械的核心部件之一，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是各工作輪的葉片設(shè)計(jì)。液力變矩器的工作輪主要包括：泵輪、渦輪和導(dǎo)輪，其中泵輪作為液力變矩器的動力輸入元件即從發(fā)動機(jī)處吸收動力，對液力變矩器的性能起著極其重要的影響，因此設(shè)計(jì)出合理的泵輪葉形是十分關(guān)鍵的。

1 性能要求

要設(shè)計(jì)的液力變矩器，主要應(yīng)用于輪式裝載機(jī)上，具體要求及指標(biāo)為：

（1）額定力矩：150 N·m，轉(zhuǎn)速：2 200轉(zhuǎn)/分鐘，功率：60 kW。

（2）泵輪出口角βB2=128°，導(dǎo)輪出口角βT2=60°，渦輪出口角βT2=150°。

2 循環(huán)圓確定

循環(huán)圓實(shí)際是工作液體在各工作輪內(nèi)循環(huán)流動，是流道的軸面形狀，工作液體循環(huán)流動是一個(gè)封閉的軌跡，循環(huán)圓是由外環(huán)、內(nèi)環(huán)、工作輪的入口邊和出口邊組成，如圖1所示。

圖1 變矩器循環(huán)圓

循環(huán)圓的最大直徑，稱為液力變矩器的有效直徑D，它是液力變矩器的特性尺寸。最大半徑為Ra，循環(huán)圓外環(huán)最小直徑為d，最小半徑為Ro，循環(huán)圓寬度為B。

經(jīng)分析初步確定變矩器泵輪循環(huán)圓的外圓直徑即有效工作直徑為378mm。依據(jù)設(shè)計(jì)流線的原則，確定內(nèi)環(huán)、設(shè)計(jì)流線。由各相鄰流線所形成的流過面積相等。在任意元線上的流過面積F 可按下列正即截頭圓錐體旋轉(zhuǎn)面公式（1）計(jì)算：

式中，

θ 為元線相對垂線的夾角，所有元線均垂直于設(shè)計(jì)流線；

rs為任意元線與外環(huán)交點(diǎn)上的半徑；

rc為同一元線與內(nèi)環(huán)交點(diǎn)上的半徑；

r 為同一元線與設(shè)計(jì)流線交點(diǎn)上的半徑。

首先選定一些任意的元線，并計(jì)算出初步輪廓。半徑rS和角θ 可從圖1中量出，而rS和rC則可相應(yīng)地按下列式（2）及（3）計(jì)算：

確定出內(nèi)環(huán)和設(shè)計(jì)流線。值得注意的是，由于整個(gè)圓是由三段圓弧組成，所以內(nèi)環(huán)和中間線都不一樣。

3 環(huán)量計(jì)算

取葉片的進(jìn)口角βB1=120°，出口角βB2=128°。根據(jù)前期循環(huán)圓的確定，在泵輪轉(zhuǎn)矩方程TB=ρQ（νuB2rB2-νuB1rB1）中的νuB2rB2-νuB1rB1項(xiàng)是確定泵輪動量矩變化的一個(gè)因數(shù)，經(jīng)計(jì)算測量得出泵輪進(jìn)口半徑外環(huán)為95mm，內(nèi)環(huán)為123.5mm；出口半徑外環(huán)為196mm，內(nèi)環(huán)為 167mm，這樣轉(zhuǎn)速比為0.5，在2 200 r/min時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩為71 N·m。則根據(jù)公式（4）、（5）、（6）計(jì)算出νur：

則νur=νuB2rB2-νuB1rB1，經(jīng)計(jì)算為：νur=4.186 5-0.912=3.274 5。繪制出泵輪葉片的軸面投影視圖，如圖2所示。

圖2 泵輪葉片

將此改變量分為十份，按其中九分各占10.5%，元線9與元線10之間的增量為5%，在設(shè)計(jì)流線上，每一點(diǎn)的相應(yīng)葉片角可根據(jù)公式（7）計(jì)算，元線與內(nèi)環(huán)之交點(diǎn)處的葉片入口角可根據(jù)公式（8）、（9）計(jì)算得出：

經(jīng)計(jì)算得到葉片入口處βc=120°35'，βs=118°42'，最終得到所有角度值，如表1所示。

表1 變矩器泵輪角度計(jì)算參數(shù)

4 變矩器泵輪葉形尺寸參數(shù)計(jì)算

根據(jù)上面計(jì)算出的角度參數(shù)計(jì)算出葉片的三維葉形坐標(biāo)。利用內(nèi)外環(huán)半徑和偏移量，依據(jù)公式（10）葉片元線上的偏移量，相鄰兩點(diǎn)間的弧長公式（11），可以方便并精準(zhǔn)的確定葉片形狀。

式中，J 為相鄰兩點(diǎn)間的弧長。

式中，

e 為相鄰兩電源線之間的距離；

y 為元線起點(diǎn)所在軸面與徑向參考平面夾角，在外環(huán)時(shí)則y=0；

rk為元線與設(shè)計(jì)流線之交點(diǎn)上的半徑，或視具體境況，表示元線與內(nèi)環(huán)或外環(huán)之交點(diǎn)上的半徑；

k 為元線的序號，k=0，1，2……。

依據(jù)公式（10）、（11）最終計(jì)算出液力變矩器的泵輪葉形三維尺寸參數(shù)如表2所示，有此數(shù)據(jù)表即可作出葉片形狀。

表2 泵輪葉片最終尺寸

5 結(jié)束語

根據(jù)環(huán)量分配法，在給定設(shè)計(jì)要求下，本文詳細(xì)敘述了分析計(jì)算測出泵輪葉形的關(guān)鍵參數(shù)值，首先確定了循環(huán)圓有效直徑及出口角等，計(jì)算出環(huán)量，然后環(huán)量等分10，求解每份對應(yīng)的角度參數(shù)值及泵輪葉片的三維尺寸參數(shù)，最終完成葉片的葉形設(shè)計(jì)。

[1]馬文星.液力傳動理論與設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]朱經(jīng)昌.液力變矩器的設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[3]馬文星，等.液力變矩器葉片設(shè)計(jì)和特性計(jì)算的通用程序及其應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，1989,(12):22-25.