SVTL調(diào)速型液力偶合器葉輪強(qiáng)度有限元分析

段鵬飛++姜文震++吳岳++邵萬珍

摘??要：構(gòu)造了SVTL調(diào)速型偶合器的三維實(shí)體模型，結(jié)合Hypermesh與ANSYS軟件對該偶合器的葉輪強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，給出了葉輪的應(yīng)力分布云圖和幾何變形云圖，并提出了優(yōu)化措施，以期為該偶合器的設(shè)計(jì)和制造提供可靠的數(shù)據(jù)和方法。

關(guān)鍵詞：液力偶合器;葉輪;有限元分析;ANSYS

中圖分類號：TH137.331???????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.015

調(diào)速型液力偶合器是以液體為介質(zhì)給工作機(jī)械傳遞動(dòng)力的聯(lián)軸器，它可在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速，具有隔離扭振、過載保護(hù)、啟動(dòng)電機(jī)空載等功能，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，比如冶金、建材和發(fā)電等行業(yè)。

偶合器的中泵輪為主動(dòng)輪，接收發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)來的機(jī)械能并傳給工作液;渦輪為從動(dòng)輪，接收由工作液傳遞的動(dòng)能，并帶動(dòng)工作機(jī)運(yùn)行。調(diào)速型液力偶合器葉輪的失效問題主要發(fā)生在泵輪，因此，只需分析、計(jì)算泵輪即可。一旦葉輪葉片發(fā)生碎裂，將直接導(dǎo)致軸承損壞，進(jìn)而使整機(jī)失效。

1??設(shè)計(jì)參數(shù)

SVTL型偶合器的設(shè)計(jì)參數(shù)和葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：額定傳遞功率為500?kW;額定轉(zhuǎn)速為1?500?r/min;滑差為0.03;循環(huán)圓有效直徑為650?mm;偶合器的效率為0.950?6;泵輪（渦輪）的葉片數(shù)為54（51）;材料采用ZL114A;泊松比為231;彈性模量為70?GPa;密度為2?700?kg/m3;屈服強(qiáng)度為231?MPa。

2??偶合器的結(jié)構(gòu)

2.1??結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

偶合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括以下4點(diǎn)：①現(xiàn)有的偶合器的埋入軸承內(nèi)環(huán)與輸出軸相連，外環(huán)與泵輪輸出軸承座相連，泵輪輸出軸承座與背殼相連，背殼通過螺栓再與泵輪相連;而新型的偶合器去掉了大慣量的背殼，在旋轉(zhuǎn)殼體內(nèi)部增加了支撐盤，埋入軸承的外環(huán)通過軸承座直接與泵輪體相連。②現(xiàn)有的偶合器埋入軸承多采用4點(diǎn)接觸球軸承，而新型偶合器因埋入軸承與輸入軸之間的空間較大，所以可采用雙列圓柱滾子軸承。該軸承可承受徑向載荷，也能承受任意方向的軸向載荷，特別適用于承受重負(fù)荷（比如偶合器的旋轉(zhuǎn)組件），或在沖擊載荷下工作，具有較好的抗沖擊能力。③現(xiàn)有的偶合器通過潤滑油管灌入潤滑油，而新型偶合器的輸入軸右端的法蘭上開有潤滑油孔，油液通過潤滑油孔進(jìn)入輸入端法蘭與埋入軸承之間的腔體內(nèi)。④新型偶合器在泵輪體背部增加了檔油環(huán)，檔油環(huán)四周均勻布置了進(jìn)油孔，油液通過油壓打入檔油環(huán)，并在離心力的作用下通過進(jìn)油孔進(jìn)入工作腔，從而可減少油液的浪費(fèi)。

2.2??泵輪的幾何模型

泵輪的PRO/E實(shí)體模型如圖1所示。

圖1??泵輪的PRO/E實(shí)體模型

3??葉輪的有限元分析

3.1??網(wǎng)格劃分

取泵輪的1/2為對象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣可以大大提高計(jì)算效率。利用Hypermesh軟件，采用四面體實(shí)體單元對泵輪實(shí)體模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。泵輪的單元類型為C3D4（四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元），單元總數(shù)為1?297?209，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為316?646.

3.2??載荷的計(jì)算

在液力偶合器工作時(shí)，根據(jù)其工作特性，可在泵輪網(wǎng)格模型上施加以下3方面的作用力。

3.2.1??離心力

泵輪材料自身的離心力可通過ANSYS軟件加載項(xiàng)中的定義材料密度、旋轉(zhuǎn)角速度體現(xiàn)，并施加在單元上。

3.2.2??離心力在殼體內(nèi)表面產(chǎn)生的壓力

離心力在殼體內(nèi)表面產(chǎn)生的壓力由高速旋轉(zhuǎn)工作液體的離心力（偶合器內(nèi)液體處于充滿狀態(tài)）與供油系統(tǒng)的充油壓力共同構(gòu)成，并作用在泵輪殼體的內(nèi)壁上。泵輪的內(nèi)壁由葉片分割成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的腔體，將計(jì)算出的壓力施加在每個(gè)腔體的內(nèi)壁上，計(jì)算公式如下：

Px=P0+ω2ρ（r2）/2.?????????????????（1）

式（1）中：Px為離心力在殼體內(nèi)表面產(chǎn)生的壓力;P0為偶合器充油系統(tǒng)的供油壓力，0.2?MPa;ω為泵輪角速度，870?kg/m3;ρ為工作油密度，kg/m3;r為循環(huán)圓半徑，m。

在循環(huán)圓的最大半徑處（r=325），Px=1.33?MPa;在循環(huán)圓的小處半徑處（r=116），Px=0.345?MPa。取其平均值0.837?5?MPa作為工作液體對泵輪殼體內(nèi)壁的壓力。

3.2.3??葉片受到的沖擊力

當(dāng)工作液體循環(huán)穩(wěn)定時(shí)，偶合器的扭矩輸出通過工作液體在泵輪與渦輪之間傳遞的動(dòng)量實(shí)現(xiàn)，而液體牽連運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)量沖擊會(huì)作用在葉片上。

葉片所受的作用力簡化為垂直于葉片的均布載荷，計(jì)算公式為：

.??????????????????????（2）

式（2）中：PY為葉片所受的作用力，0.024?6?MPa;T為葉輪傳遞的扭矩，3?183.3;S為葉片受液力沖擊的面積，9?561?mm2;n為泵輪的葉片數(shù)，54;L為葉片載荷中心離旋轉(zhuǎn)軸線的距離，≈250?mm。

3.3??邊界條件處理

利用Hypermesh軟件約束泵輪殼體中心平面3個(gè)方向的位移。

3.4??計(jì)算結(jié)果分析

通過ANSYS軟件計(jì)算得出，泵輪在高速旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，各分力作用和合力作用下的有限元分析結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2??泵輪應(yīng)力云圖????????????????圖3??泵輪位移云圖

計(jì)算得出，葉輪在離心力的作用下，泵輪的應(yīng)力最大，最大值為155.2?MPa，發(fā)生在葉片根部，最大位移值為0.687?mm，發(fā)生在泵輪邊緣;在其他兩個(gè)力的作用下，泵輪的應(yīng)力分別為16.7?MPa和17.1?MPa，相比于受到離心力而言，泵輪受到的影響較小;在合力作用下，泵輪的最大應(yīng)力為178.8?MPa，發(fā)生在葉片內(nèi)緣根部與腔體壁的連接處，最大位移為0.907?mm，發(fā)生在泵輪邊緣處。

葉片材料ZL114A的屈服極限為310?MPa，最大應(yīng)力值低于屈服極限，安全系數(shù)S為1.74，技術(shù)手冊中規(guī)定塑性材料的安全系數(shù)在1.5～2.0之間。因此，上述計(jì)算結(jié)果符合規(guī)定，在正常情況下泵輪不會(huì)失效，可安全運(yùn)行。泵輪邊緣最大位移值為0.907?mm，滿足使用要求。

4??結(jié)論

葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)力變化主要是因金屬材料在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力而導(dǎo)致的，該分力占合力的86%.?在新型偶合器中，因泵輪體上開有一定數(shù)量的進(jìn)油孔，這在一定程度上減少了泵輪的質(zhì)量。因此，降低泵輪質(zhì)量可有效地降低葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力。

葉片根部與內(nèi)腔連接處是泵輪最大應(yīng)力的發(fā)生處，泵輪殼體在離心力的作用下產(chǎn)生變形后會(huì)導(dǎo)致葉片拉伸。為了有效延長葉片的壽命，進(jìn)而延長整機(jī)壽命，可適當(dāng)增大葉片與殼體內(nèi)壁連接處的過渡圓角。

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作者簡介：段鵬飛（1990—），男，河南焦作人，畢業(yè)于大連交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)（碩士學(xué)位），現(xiàn)從事現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)工作。

〔編輯：張思楠〕

SVTL?Impeller?Speed?Hydraulic?Coupling?Strength?Finite?Element?Analysis

Duan?Pengfei，?Jiang?Wenzhen，?Wu?Yue，?Shao?Wanzhen

Abstract：?The?structure?of?the?three-dimensional?solid?model?SVTL?variable?speed?couplings，?combined?with?ANSYS?software?Hypermesh?coupling?strength?of?the?impeller?of?the?finite?element?analysis，?given?impeller?stress?contours?and?geometric?distortion?cloud?and?proposed?optimization?measures，?designed?and?manufactured?for?the?coupling?to?provide?reliable?data?and?methods.

Key?words：?hydraulic?coupling;?impeller;?finite?element?analysis;?ANSYS