液力偶合器葉輪強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

李岳峰,謝夢(mèng)書(shū),李松山,侯天柱,李 唐

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

液力偶合器葉輪強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

李岳峰,謝夢(mèng)書(shū),李松山,侯天柱,李 唐

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

通過(guò)分析給出了液力偶合器葉輪載荷的數(shù)學(xué)模型，并利用該載荷模型對(duì)某型液力偶合器葉輪進(jìn)行整體有限元強(qiáng)度分析，建立了該型號(hào)偶合器葉輪強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，采用應(yīng)變片對(duì)泵輪葉片指定位置強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，利用理論分析建立的載荷模型對(duì)葉片進(jìn)行有限元分析的結(jié)果與葉片實(shí)際測(cè)試結(jié)果較吻合，為該系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析提供了依據(jù)。

液力偶合器；葉輪；有限元強(qiáng)度分析；應(yīng)力測(cè)試；試驗(yàn)驗(yàn)證

液力偶合器作為一種液力傳動(dòng)元件，具有帶載起動(dòng)、隔離扭振、降低噪聲等功能，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、發(fā)電、水泥、船舶等行業(yè)。液力偶合器的葉輪包括泵輪、渦輪、轉(zhuǎn)動(dòng)外殼，材料主要選用鑄鋼、鑄造鋁合金、鋼材焊接件或整體鍛鋼等，傳統(tǒng)的通過(guò)限制工作輪最大線速度[1]來(lái)保證其強(qiáng)度及可靠性的方法已不能適應(yīng)產(chǎn)品的大功率化發(fā)展需要，運(yùn)用二維有限元計(jì)算法[2]、三維有限元計(jì)算法[3]進(jìn)行偶合器工作輪的強(qiáng)度分析，由于過(guò)度簡(jiǎn)化載荷、只分析零件的一部分等，使計(jì)算結(jié)果的精確度受到影響。

本文應(yīng)用三維軟件對(duì)偶合器葉輪進(jìn)行三維造型，對(duì)葉輪內(nèi)液流按二元?jiǎng)蛩倭鞯牧鲃?dòng)模型進(jìn)行解析計(jì)算，獲得液流對(duì)葉輪的作用力后用有限元軟件進(jìn)行加載及強(qiáng)度分析，得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，證明了載荷模型與有限元分析方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，為液力偶合器的設(shè)計(jì)、制造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可行的分析方法。

1 載荷模型

液力偶合器在額定工況下，所受的載荷是穩(wěn)定的，可按靜載荷考慮。葉輪受力主要由4部分組成：

a．在高速旋轉(zhuǎn)中葉輪自身質(zhì)量構(gòu)成的離心力。

b．工作液體作用在葉輪內(nèi)壁上的液體壓力，由液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)和在葉輪型腔內(nèi)循環(huán)流動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)合成。

c．工作液體作用在葉片上的圓周力。

d．軸對(duì)葉輪的作用力。

其中a部分對(duì)葉輪強(qiáng)度的影響最大，雖然零件形狀復(fù)雜，但可以通過(guò)軟件精確加載；d部分是對(duì)a,b,c部分合力的支反力，可以在軟件靜力分析過(guò)程中作為支承處理；b部分和c部分均為液流對(duì)葉輪的作用力，需要在建立葉輪液流模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行解析計(jì)算獲得。在液力偶合器葉輪中，液體的流態(tài)實(shí)質(zhì)上是復(fù)雜的空間三元流動(dòng)，為便于分析研究，通常將其簡(jiǎn)化如下[1]：

a.在泵輪-渦輪之間形成的型腔內(nèi)為二元流動(dòng)，既隨葉輪做等速旋轉(zhuǎn)，又沿著葉輪型腔內(nèi)平均流線作勻速流動(dòng)；

b.在渦輪-轉(zhuǎn)動(dòng)外殼之間的空腔內(nèi)為一元流動(dòng)，隨葉輪做等速旋轉(zhuǎn)，由于渦輪和轉(zhuǎn)動(dòng)外殼的轉(zhuǎn)速不同，其流動(dòng)為層流。

1.1工作液體作用在葉輪殼壁上的載荷

工作液體隨葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)葉輪的面載荷為[2]：

(1)

式中：ρ為工作油密度；ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度；p0為已知點(diǎn)的油壓；r0為已知點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑；r為該計(jì)算點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑。

工作液體在泵輪-渦輪型腔內(nèi)循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)葉輪的面載荷為[4-5]:

(2)

式中：rx為型腔曲率半徑；Q為工作液體在型腔內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的流量；R為流道有效半徑；R0為最小油平面半徑。

由于工作液體在型腔內(nèi)的流動(dòng)是上述2種運(yùn)動(dòng)的合成，所以其對(duì)葉輪殼壁的合成作用力為：

(3)

1.2工作液體作用在葉片上的載荷

根據(jù)液流在偶合器型腔內(nèi)勻速流動(dòng)的假定，給出以下公式[5-6]：

(4)

式中：φY為葉片載荷系數(shù)[1]，取為1.2；T為偶合器傳遞的轉(zhuǎn)矩；z為葉輪葉片數(shù)；RY為葉片面心所處的回轉(zhuǎn)半徑；A為葉片面積；α為葉片傾角。

葉片載荷系數(shù)φY用于修正假定工況與實(shí)際工況之間的差異[1]，包括兩個(gè)方面：一是實(shí)際工況下載荷的作用面積比葉片面積小，類似于一個(gè)圓環(huán)形；二是實(shí)際工況下，液流在循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中對(duì)葉片的作用力是變化的，即在泵輪中流動(dòng)時(shí)作用力逐漸從最小增加到最大，在渦輪中流動(dòng)時(shí)作用力逐漸從最大減少到最小。綜合以上兩個(gè)因素，取φY=1.2。

2 有限元強(qiáng)度分析

2.1有限元模型

以JO65XR型液力偶合器模型為例進(jìn)行仿真分析，其葉輪包括泵輪、渦輪和轉(zhuǎn)動(dòng)外殼3個(gè)主要部分，如圖1所示。

圖1 泵輪、轉(zhuǎn)動(dòng)外殼和渦輪網(wǎng)格模型

2.2技術(shù)參數(shù)

JO65XR型液力偶合器葉輪材質(zhì)為鋁合金，主要技術(shù)參數(shù)如下。

額定功率/ kW： 2 288

彈性模量/ GPa： 70

泊松比： 0.3

密度/( kg·m-3)： 2 700

工作液體密度/( kg·m-3)： 870

2.3載荷條件

根據(jù)載荷模型公式，以額定工況為例解算出了各葉輪在額定工況下的載荷模型函數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 模型載荷列表

注：表中的旋轉(zhuǎn)速度以各模型的中心軸線作為旋轉(zhuǎn)軸。

2.4仿真分析結(jié)果

根據(jù)表1中的載荷數(shù)值進(jìn)行葉輪強(qiáng)度仿真分析，圖2為各部件在離心力和液體壓力共同作用下的強(qiáng)度分析結(jié)果：泵輪強(qiáng)度分析結(jié)果為最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與泵輪外圈連接處的根部(圖2(a))；轉(zhuǎn)動(dòng)外殼強(qiáng)度分析結(jié)果為最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓孔處(圖2(b))；渦輪強(qiáng)度分析結(jié)果為最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在葉片外圈根部(圖2(c))。

圖2 離心力和液體壓力共同作用下的泵輪、外殼、渦輪等效應(yīng)力圖

3 葉輪強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

JO65XR型液力偶合器葉輪強(qiáng)度試驗(yàn)在傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)[7]上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)布置如圖3所示，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、膜片聯(lián)軸器、液力偶合器、負(fù)載電機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)采用電封閉功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)被測(cè)液力偶合器以及加載電機(jī)做功，同時(shí)加載電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，加載電機(jī)發(fā)出的電能直接輸送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，降低了電能消耗。

1—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2—轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器；3—膜片聯(lián)軸器；4—JO65XR液力偶合器試驗(yàn)箱；5—膜片聯(lián)軸器；6—轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器；7—負(fù)載電機(jī)

根據(jù)2.4節(jié)仿真分析結(jié)果，在JO65XR型偶合器泵輪葉片外圈根部應(yīng)力較大的適當(dāng)位置粘貼三向應(yīng)變片，以便測(cè)取相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值，如圖4所示。

由于泵輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)變片同時(shí)隨其轉(zhuǎn)動(dòng)，不便于信號(hào)采集與傳送，為此將與泵輪相連接的輸入軸設(shè)計(jì)為空心軸，將應(yīng)變片連接線沿輸入空心軸引出至箱體外部。箱體輸入端安裝有電刷式集流環(huán)裝置(如圖5所示)，利用聯(lián)軸器將集流環(huán)連接在輸入軸上，使集流環(huán)轉(zhuǎn)子隨軸轉(zhuǎn)動(dòng);將定子部分固定在箱體上，定子與轉(zhuǎn)子緊密接觸，應(yīng)變片連接線與集流環(huán)轉(zhuǎn)子相連，測(cè)試設(shè)備與定子連接，從而將應(yīng)變片信號(hào)輸出到測(cè)試設(shè)備中。

圖4 泵輪應(yīng)變片測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

本試驗(yàn)測(cè)試了JO65XR型液力偶合器輸入轉(zhuǎn)速在1 100～1 500r/min之間、不同轉(zhuǎn)矩工況下泵輪葉片測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值，并與相同工況下相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)有限元分析的應(yīng)力值進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示，經(jīng)過(guò)對(duì)7個(gè)工況的結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)測(cè)值與仿真分析值平均誤差為7.6 %，二者結(jié)果比較一致。具體測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試值與有限元分析值對(duì)比見(jiàn)表2。

圖5 集流環(huán)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6 葉片應(yīng)力試驗(yàn)值與分析值對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)液力偶合器葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)應(yīng)充分考慮液流對(duì)葉輪的作用力，不僅要考慮液流隨葉輪的旋轉(zhuǎn)，還要考慮液流在偶合器型腔內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)。通過(guò)解析計(jì)算可推導(dǎo)出液流對(duì)葉輪各面的作用力公式，在軟件分析時(shí)按公式計(jì)算載荷進(jìn)行加載。

表2 JO65XR型液力偶合器葉片應(yīng)力試驗(yàn)值與有限元分析值對(duì)比表

通過(guò)具體型號(hào)偶合器的應(yīng)力測(cè)試驗(yàn)證表明，對(duì)葉輪內(nèi)液流按二元?jiǎng)蛩倭鞯牧鲃?dòng)模型進(jìn)行載荷建模，并利用有限元軟件進(jìn)行加載及強(qiáng)度分析，獲得的仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比吻合較好，證明了該載荷模型與有限元分析方法可應(yīng)用于實(shí)際工程中。

該有限元分析方法具有一定的通用性，可適用于各種不同形狀和參數(shù)的液力偶合器。

[1] 楊乃喬．液力偶合器 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989: 49-58.

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TheStrengthAnalysisandExperimentalVerificationfortheImpellerofFluidCoupling

LI Yuefeng, XIE Mengshu, LI Songshan, HOU Tianzhu, LI Tang

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai, 200090, China)

Based on the analysis of impeller characteristic, it presents a mathematical model for the impeller load of fluid coupling, establishes a whole finite element model for the impeller of a fluid coupling strength analysis. It designs a test bench for strength of the model impeller, uses strain gauges to measure the certain place strength of the pump blade. The results indicate that calculation data agrees with experimental data. This provides a basis for the product series design and strength analysis.

Fluid Coupling; Impeller; FEA; Stress Test; Experimental Verification

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.006

2014-08-12

李岳峰(1981—)，男，遼寧大連人，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所工程師，主要研究方向?yàn)榇皠?dòng)力傳動(dòng)裝置。

TH137.331

A

2095-509X(2014)09-0023-04