某調(diào)速型液力偶合器泵輪的模態(tài)分析

朱德春+江波+楊義蛟+蔡小華

摘要：調(diào)速型液力偶合器在工業(yè)中有很多應(yīng)用。用戶可在多種工作轉(zhuǎn)速下使用液力偶合器來實現(xiàn)其生產(chǎn)生活。以YOTsj560水介質(zhì)調(diào)速型液力偶合器為研究對象，運用ANSYS對該類型的液力偶合器的泵輪進行模態(tài)分析，得到了其四階固有頻率，分別為ω1=73.242 Hz，ω2=73.242 Hz，ω3=73.242 Hz，ω4=73.242 Hz，用戶在使用該型號液力偶合器時必須避開這幾階共振區(qū)。

關(guān)鍵詞：液力偶合器；泵輪；模態(tài)分析；ANSYS；固有頻率

中圖分類號：TH318 文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.004

0 引言

液力偶合器是重要的液力傳動器件[1]，常用于冶金設(shè)備、礦山機械、電力設(shè)備、化工及各種工程機械中，具有能實現(xiàn)無極調(diào)速、空載啟動和過載保護，使用壽命周期長，無諧波影響且節(jié)能的特點。由于液力偶合器在實際使用過程中需要特別注意其使用的工作轉(zhuǎn)速必須避開共振區(qū)域，因此研究液力偶合器的模態(tài)為液力偶合器的使用工況提供指導具有重要意義。液力偶合器的泵輪是主動件，在一般情況下被動件渦輪轉(zhuǎn)速總是低于泵輪，即如果產(chǎn)生振動，泵輪是主要的振動源，故著眼于對液力偶合器的泵輪進行模態(tài)分析。

1 液力偶合器簡介

液力偶合器是一種以液體為工作介質(zhì)的非剛性聯(lián)軸器，又稱液力聯(lián)軸器，如圖1所示。渦輪與泵輪對稱布置，輪內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的葉片。外殼與泵輪固定連接成一個密封腔，腔內(nèi)填充工作液體以傳遞動力。所配置的易熔塞、易爆塞等安全保護裝置，能保證偶合器在超載時不發(fā)生事故。泵輪是主動件，渦輪是被動件，泵輪外沿油液的能量大于渦輪外沿油液能量，在此能量差的作用下，離開泵輪后的高速液流緊接著進入渦輪，并作用于渦輪葉片，當克服渦輪轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生阻力和負載時，推動渦輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)將流體能量轉(zhuǎn)換為機械能。

2 YOTsj560液力偶合器模態(tài)分析

2.1 建立模型

圖2所示為YOTsj560調(diào)速型液力偶合器泵輪的三維實體模型。泵輪葉片數(shù)為48，直徑為90 mm。其結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1。

通過之前的分析已知腔內(nèi)所充液體的等效質(zhì)量為腔內(nèi)裝滿液體時的液體質(zhì)量，由計算得等效質(zhì)量為140 kg。將液體的質(zhì)量視為作用在輸入軸端面中心的集中質(zhì)量處理，利用mass21質(zhì)量單元。

2.2 網(wǎng)格劃分

為了保證結(jié)構(gòu)離散化的計算精度，我們采用具有可塑性、蠕動、膨脹、應(yīng)力鋼化、大變形和大張力的能力的四面體單元solid92。利用ANSYS提供的自由網(wǎng)格劃分器，對實體模型自由劃分網(wǎng)格，生成可靠的、高質(zhì)量的體單元，如圖3所示。

2.3 模態(tài)設(shè)置、定義邊界條件求解

在ANSYS中有以下多種提取模態(tài)的方法。Block Lanczos 法可以在大多數(shù)場合中使用，是一種功能強大的方法，當提取中型到大型模型的大量振型時，這種方法很有效，經(jīng)常應(yīng)用在具有實體單元或殼單元的模型中，可以很好地處理剛體振型擴展的模態(tài)數(shù)目應(yīng)當與提取的模態(tài)數(shù)目相等，數(shù)值為4。在輸入軸承和渦輪軸承處施加全約束。

2.4 計算結(jié)果及其分析

模態(tài)分析結(jié)果見表2，各階振型如圖5所示。第一階、二階振型分別為水平方向和豎直方向的彎曲振動。因為水平和豎直方向的約束條件一致，故一二階頻率相等，為73.242 Hz。第三階振型為繞軸線的扭轉(zhuǎn)振動，頻率為89.446 Hz；第四階振型為前后方向的伸縮振動，頻率為219.46 Hz。

由此得到一階固有頻率約為73 Hz，而YOTsj560調(diào)速型液力偶合器工作轉(zhuǎn)速為25 Hz，遠小于其一階頻率。

3 結(jié)論

模態(tài)分析表明，YOTsj560水介質(zhì)調(diào)速型液力偶合器泵輪的一階、二階固有頻率為73.242 Hz，第三階扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率為89.446 Hz，第四階振型伸縮振動的固有頻率為219.46 Hz。在實際使用過程中，國內(nèi)一般的工業(yè)電機轉(zhuǎn)速為50 Hz以內(nèi)，而YOTsj560水介質(zhì)調(diào)速型液力偶合器泵輪的一二階固有頻率為73.242 Hz，因此該液力偶合器能滿足一般的工況使用要求。但是，如果用于高速的場合時就要避開上述的幾階固有頻率，使液力偶合器工作于非共振區(qū)。

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