基于UG的燃氣輪機起動離合器動力學仿真

宋萬成，吳 森

（海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽110043）

0 引言

某燃氣輪機的起動離合器采用的是棘輪與制動爪組合的結(jié)構(gòu)，并依靠離心力使制動爪在特定轉(zhuǎn)速下脫離，這種設(shè)計使得在燃氣輪機工作時離合器主、從動部件沒有物理接觸，從而使機構(gòu)的壽命延長和可靠性提高[1]。但在實際使用過程中，該離合器出現(xiàn)多次零件斷裂的故障。由于結(jié)構(gòu)的封閉性，較難在實物中觀察到離合器的工作過程。目前的故障分析方法是分析零件的斷口形貌并測量電機電流，從而推測故障的產(chǎn)生原因。而分析結(jié)果表明，離合器受力零件的強度滿足設(shè)計要求，電機的電流波動與故障出現(xiàn)并無直接聯(lián)系，可能存在其他設(shè)計階段未預(yù)料到的載荷。

為分析離合器的工作過程是否存在未知的載荷情況，本文采用UG動力學仿真技術(shù)對其進行了模擬，記錄模擬過程中可能出現(xiàn)的沖擊、刮碰等情況，分析它們的影響因素和影響效果。

1 離合器的結(jié)構(gòu)和原理

離合器由棘輪、制動爪、銷和傳動齒輪組成，如圖1所示。棘輪與起動電機連接，將扭矩通過棘齒傳遞給制動爪。制動爪通過銷將載荷傳遞給傳動齒輪，從而驅(qū)動附件機匣中的齒輪系和燃氣輪機轉(zhuǎn)子。

圖1 離合器的結(jié)構(gòu)

起動時，傳動齒輪處于靜止狀態(tài)，制動爪（如圖2所示）被彈簧彈出，與棘輪的齒面接觸。當起動電機旋轉(zhuǎn)時，棘輪帶動制動爪和傳動齒輪旋轉(zhuǎn)。當傳動齒輪達到某一轉(zhuǎn)速時，制動爪配重部分的離心力使其繞銷孔旋轉(zhuǎn)，制動爪與棘輪分離并貼靠在支承銷上。

圖2 制動爪

2 仿真模型的建立

UG的動力學仿真給3維實體模型的各個部件賦予一定的運動學特性，再在各個零部件之間設(shè)立運動副、傳動副以及約束即可建立1個運動仿真模型[2]。UG集成RECURDYN動力學分析模塊，采用相對坐標系運動方程理論和完全遞歸算法，適用于求解多體系統(tǒng)的碰撞問題，廣泛用于航空、航天及其他通用機械行業(yè)[3-4]。

本文使用UG建立棘輪、制動爪、傳動齒輪和銷的3維模型，如圖3所示。UG的運動仿真具有理想的約束功能，因此忽略軸承、定距套等與離合動作無關(guān)的零件，以便加快計算過程，提高分析精度。

在本文的運動仿真中不考慮零件的應(yīng)力和變形，因此制動爪與銷的連接關(guān)系可以用旋轉(zhuǎn)副定義，并在旋轉(zhuǎn)副上添加扭簧以模擬實際的彈簧作用。扭簧的剛度系數(shù)為4.5 N·mm/（°），預(yù)壓縮角度為18°。

圖3 3維模型

制動爪與棘輪、傳動齒輪和支承銷之間均存在接觸的可能，因此依次設(shè)置3處3維接觸。

本文采用接觸函數(shù)(Impact)來模擬3維接觸并求解碰撞力[5-6]

式中：q0為2個碰撞物體的初始距離；q為2個物體碰撞過程中的實際距離；dq/qt為2個物體間距離隨時間的變化率；K為剛度系數(shù)；e為碰撞指數(shù)；Cmax為最大阻尼系數(shù)；d為切入深度。

在UG仿真中，主要對剛度系數(shù)（Stiffness）、碰撞指數(shù)（Force Exponent）、最大阻尼系數(shù)（Damping）和切入深度（Penetration Depth）等4個參數(shù)進行設(shè)置[7]。

圖4 碰撞參數(shù)的設(shè)定

剛度系數(shù)是指在接觸時因變形而產(chǎn)生的力，取決于碰撞物體的材料和結(jié)構(gòu)形狀；碰撞指數(shù)是指物體材料在碰撞時所表現(xiàn)出的非線性程度；最大阻尼系數(shù)表示2個物體碰撞時的能量損失；切入深度是指2個物體碰撞至最大阻尼時的侵入深度[8]。本文使用UG默認推薦的鋼-鋼碰撞參數(shù)，如圖4所示。

為模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量特性，賦予傳動齒輪質(zhì)量 400 kg，軸向轉(zhuǎn)動慣量 1.2×107kg·mm2。為模擬起動電機轉(zhuǎn)子和棘輪的質(zhì)量特性，賦予棘輪質(zhì)量35 kg，軸向轉(zhuǎn)動慣量 55066 kg·mm2。

棘輪與起動電機連接，因此在棘輪的轉(zhuǎn)動副上設(shè)置扭矩，以模擬起動過程的扭矩輸入。按照設(shè)計原理，3組制動爪應(yīng)同時與棘輪接觸傳力，但在實際工作時常因精度誤差出現(xiàn)單個制動爪傳力的情況，本文模擬這種極端條件下的狀態(tài)。

起動瞬間的仿真。某型燃氣輪機對起動時間有嚴格的要求，在起動初始階段即向起動系統(tǒng)輸入較大的電機扭矩。為了模擬該工況，本文使用STEP函數(shù)[9]，在0～13 s內(nèi)輸入扭矩從0增加至420 N·m，棘輪的空程則設(shè)置為結(jié)構(gòu)所能容納的最大角度22°。仿真設(shè)置時間為3 s，步數(shù)10000，以獲得準確的起動瞬間結(jié)果。

離合器脫開的仿真。在0～13 s內(nèi)棘輪所受扭矩（T001_Math）從0增加至420 N·m，在第13 s時，給予傳動齒輪94 N·m/s的遞增扭矩（T2_1），使其自行加速以模擬燃氣輪機點火后轉(zhuǎn)子獲得的燃氣動力[10-11]，如圖5所示。仿真設(shè)置時間為25 s，步數(shù)為20000，以觀察起動過程[12]。

圖5 扭矩的加載

3 仿真結(jié)果與分析

起動瞬間制動爪銷孔的受力曲線如圖6所示。起動時制動爪與棘輪間有22°的空程，因此棘輪在電機的驅(qū)動下加速撞向制動爪。由于與制動爪相連的傳動齒輪具有更大的慣性，棘輪被反向彈開，隨后在扭矩的作用下棘輪再次撞擊制動爪，直至二者貼合一同運動。

圖6 起動瞬間制動爪銷孔的受力

從圖中可見，由于空程的存在，棘輪對制動爪有較大的沖擊力，該沖擊力經(jīng)過制動爪傳遞給銷，在銷孔位置形成較大的剪切力。

脫離過程的模擬動畫截圖如圖7所示?？紤]到離合器內(nèi)部經(jīng)過充分潤滑，本文的模型中沒有設(shè)置摩擦因數(shù)。從模擬動畫中可以看到，當制動爪與棘輪逐漸脫開后，制動爪在離心力的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并沒有與棘輪再次刮碰，此時的傳動齒輪轉(zhuǎn)速約為2950 r/min，與設(shè)計狀態(tài)的3000 r/min接近。

圖7 脫離過程

制動爪與棘輪之間的碰撞現(xiàn)象是棘輪式離合器的特征[13-14]。為便于研究，將燃氣輪機起動系統(tǒng)傳動鏈變換為直線運動的力學模型，如圖8所示。

圖8 力學模型

從圖中可見，每個存在接觸的位置都會產(chǎn)生碰撞力，但在現(xiàn)有的起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，制動爪與棘輪之間的碰撞是產(chǎn)生沖擊力的主要原因。根據(jù)式（1）的求解可知，影響該處碰撞力大小的主要因素有：棘輪和制動爪的空程距離（空程角度），驅(qū)動力F，各零件的質(zhì)量特性和它們之間的接觸剛度、阻尼和摩擦。其中空程距離、驅(qū)動力F和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量決定了碰撞瞬間的速度。

對于此離合器，空程距離在0～22°區(qū)間內(nèi)隨機變化，其大小取決于制動爪和棘輪的初始位置。對3種空程距離進行仿真計算，得到空程距離與最大沖擊力的關(guān)系，見表1。

表1 空程距離α與最大沖擊力F的關(guān)系

從表中可見，隨著空程距離的增大，沖擊力最大值增大。為減小沖擊力，可以在離合器的設(shè)計階段在滿足強度的前提下增加棘輪中棘齒的數(shù)量，減小齒間的分度，從而減小空程距離。

在起動的初始階段，電機的力矩（驅(qū)動力F）決定了沖擊瞬間制動爪與棘輪之間的相對速度，因此應(yīng)嚴格控制空程階段電機的力矩。但所研究燃氣輪機采用了開關(guān)磁阻電機，其低速下的控制精度較差[15]，在實際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)該電機在200 r/min以下時轉(zhuǎn)矩有劇烈的波動，產(chǎn)生了較大的沖擊，造成了多次超扭和離合器制動爪斷裂故障。因此，當起動系統(tǒng)選用開關(guān)磁阻電機作為動力源，棘輪式離合器作為脫離裝置時，應(yīng)在二者之間設(shè)置緩沖器，以避免電機直接驅(qū)動離合器，減小離合器受到的扭矩沖擊。

4 結(jié)論

通過仿真試驗可以觀察到離合器的接合和脫開過程，在傳動齒輪達到脫開轉(zhuǎn)速時，可以發(fā)現(xiàn)制動爪與棘輪能夠迅速分離，沒有反復接合現(xiàn)象，驗證了設(shè)計的正確性。

在起動瞬間，制動爪及銷軸受到多次沖擊載荷作用，尤其是空程較大的起動條件下，這種現(xiàn)象應(yīng)被充分考慮。通過增強強度儲備或調(diào)整起動電機扭矩的加載規(guī)律可以避免破壞或減小沖擊力，也可在設(shè)計階段增加棘齒數(shù)量，減小分度，有效地降低沖擊力度。在起動電機的選型上應(yīng)考慮其低速的控制精度是否滿足要求，電機與離合器之間應(yīng)設(shè)置緩沖裝置。

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