限矩型液力偶合器全充液工況的流固耦合研究*

任豪宗，王時英*，呂 明，張嘉華

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

0 引 言

液力偶合器是一種以液體為工作介質來傳遞能量的動力裝置，主要分為普通型、限矩型和調速型。限矩型偶合器又被稱作安全型偶合器，主要用于解決啟動困難、過載保護和減緩沖擊等問題。如果設備在在高速運轉過程中，出現突然卡住的現象，會產生瞬時的過載，此時動力機和工作機所有的動能都被突然釋放出來，將造成原動機和工作機的破壞。因此，就需要限矩型偶合器來進行過載保護，避免原動機和工作機受破壞。另外，原動機經常有載甚至重載啟動，采用偶合器可大大改善電動機和工作機的啟動性能[1]。

國內外許多學者已對偶合器進行了廣泛的研究。何延東等[2]利用UG和CFD，針對調速型液力偶合器的3種結構優(yōu)化方案進行了數值模擬，將結果與基型進行對比得到了合理的優(yōu)化方案；劉春寶等[3]采用液力變矩器瞬態(tài)模型以及多流動區(qū)域的耦合算法，深入分析了液力變矩器的流動特性并分析了原因；鄒波等[4]為了分析液力減速器在高轉速下的葉片強度，采用單向耦合技術和全局守恒差值法，對減速器全充液工況進行了流固耦合分析，得到了減速器應力分布云圖和變形云圖，為液力元件的有限元分析提供了有效的方法；魏巍等[5]研究了變矩器葉片強度，采用流固耦合的方法分析了工作液體對葉片產生的應力與應變情況，并根據材料特性對某型液力變矩器失效情況進行了預測。

本文將在D483限矩型液力偶合器的基礎上對偶合器全充液工況下3種典型轉速比工況各自的流場情況和葉片受力特性進行分析，并將葉片工作時的最大受力值與葉片材料的極限強度進行對比，以排除偶合器因為工作液的正應力而破損的可能，并為偶合器的改進提供一種有效途徑。

1 流固耦合的分析流程

流固耦合流程圖如圖1所示。

圖1 流固耦合流程圖

圖1中的具體流程：

（1）首先利用SolidWorks建立偶合器幾何模型，運用布爾運算提取幾何模型的互補模型作為流道模型；

（2）然后對流道模型進行網格劃分，利用ANSYS Fluent進行流場數值模擬得出速度、壓力場及矢量圖；

（3）再將流場分析數據導入靜力學分析軟件中，對葉輪幾何模型進行網格劃分、邊界條件的設置以及離心載荷的加載；

（4）最后通過耦合求解，得出各工作輪葉片所受到的的應力和應變情況，并根據耦合結果對各工作輪葉片的強度進行對比分析。

2 流道模型與幾何模型建立

根據已有的偶合器模型，筆者建立限矩型液力偶合器幾何模型，并提取流道。考慮到偶合器的循環(huán)結構，選取周期性模型作為計算區(qū)域，并對偶合器模型作一定的簡化。

流道模型和幾何模型的網格劃分如圖2所示。

圖2 流道模型和幾何模型的網格劃分

為保證計算的準確度，筆者采用高質量六面體網格作為網格單元。流道模型的網格數目為116 226，幾何模型的網格數目為85 103。

3 流場數值模擬

3.1 基本假設和邊界條件

基本假設如下：

（1）液力偶合器工作溫度為等溫工況，液體的內能不變；

（2）工作腔完全封閉，工作液不發(fā)生泄露；

（3）相同工況，葉輪的每個流道特性相同[6-9]。

邊界條件如下：

（1）根據實際工作情況，泵輪轉速恒為1 900 r/min；

（2）由于偶合器循環(huán)結構，流道的循環(huán)切割面采用周期性邊界條件，其他表面均采用壁面邊界條件；

（3）采用SIMPLE算法和一階上游迎風格式，計算收斂準則設置為迭代的殘差小于10-3。

3.2 仿真及結果分析

筆者對制動工況i=0、牽引工況i=0.5、額定工況i=0.97這3種典型工況的瞬態(tài)特性進行了仿真分析，得到了速度和壓力分布。

壓力云圖如圖3所示。

圖3 壓力云圖

由圖3可知：

（1）偶合器在轉速比i=0時，其工作特點是：渦輪不轉動，不輸出動力，η=0。從壓力云圖可知：此時工作腔內壓力分布沒有規(guī)律，出現大面積負壓區(qū)域，這是造成能量耗散以及效率低的主要原因，也是偶合器結構優(yōu)化的重點方向；

（2）隨著轉速比的提高，泵輪與渦輪的轉速差減小，渦輪對來自泵輪的高速工作液的阻滯作用減弱，使得流動更加趨于規(guī)律性，因此，在牽引工況i=0.5時，流道內的壓力出現較均勻的壓力梯度分布；

（3）當轉速比i=0.97時，泵輪和渦輪都具有較高轉速，產生較大的離心力，壓力場逐漸增大并出現層狀分布，且越靠近流場外環(huán)產生的壓力越大。

速度及矢量云圖如圖4所示。

圖4 速度及矢量云圖

由圖4可知：

（1）i=0時，工作液體在離心力的作用下沿泵輪壁面向外環(huán)作高速運動，之后進入處于靜止狀態(tài)的渦輪，在渦輪處受到運動阻滯，只有一部分工作液沿著渦輪壁面運動，速度有所降低，而渦輪內遠離壁面的工作液速度急劇降低，并且出現回流、旋渦以及大面積的低速區(qū)，無法參與到液力傳動的大循環(huán)中，導致能量損失，效率低。如圖4（a）中的A處出現了回流、旋渦等；

（2）i=0.5時，渦輪與泵輪的轉速差減小，渦輪對來自泵輪的高速工作液的阻滯減弱，同時渦輪產生一定的離心力，大部分的液體能夠參與到液力傳動的大循環(huán)中，僅在渦輪中間位置出現小面積的低速區(qū)，能量損耗小，傳動效率提高；

（3）i=0.97時，渦輪與泵輪的轉速基本一致，渦輪入口的速度與泵輪出口相同，因此工作腔內的速度沿徑向層狀分布，且越靠近外環(huán)壓力越大[10-11];

（4）在制動工況時渦輪工作腔內的矢量圖如圖4（d）所示。由圖4（d）可知：B處和C處分別出現了旋渦以及回流等損耗能量的現象，這些現象導致了偶合器工作效率的降低，可以通過改變葉輪的數目、輔腔的體積以及過流孔的數目和直徑等，來優(yōu)化偶合器的結構，提高偶合器的限矩性能。

4 葉輪強度分析

4.1 網格劃分及邊界條件的設定

本文模型為限矩型液力偶合器，具體參數為：

泵輪葉片數為46，渦輪葉片數為46，葉輪材料為鋁合金（ZL101A），工作液為水，密度ρ=998.2 kg/m3,泵輪恒轉速為1 900 r/min。

液力偶合器為循環(huán)結構，只需取周期結構邊界條件作分析。為了計算結果的準確性，筆者同樣選取高質量的六面體網格。

在全充液工況時，高轉速液力偶合器的工作載荷主要來自流體作用下的壁面正壓力、在高速旋轉下葉輪產生的離心載荷以及工作液在能量轉化過程中消耗能量產生的熱量。由于偶合器在穩(wěn)定的工況下的溫度基本不變，產生的熱量可以忽略不計。

對限矩型液力偶合器的葉輪結構進行強度分析，常采用流固耦合（FSI）的分析方法。流固耦合法一般分為兩種：單向流固耦合和雙向流固耦合。單向流固耦合是指在液力傳動過程中，只考慮工作液運動對葉片的作用，而不考慮工作液體與結構相互之間的作用，即在耦合界處的數據傳遞是單向的；同理，雙向流固耦合要考慮流固耦合的相互作用，即耦合界處的數據傳遞是雙向的。

本研究主要研究工作液對葉片的影響，因此，選用單向流固耦合分析。

設置邊界條件：

在偶合器幾何模型的循環(huán)切割面施加循環(huán)約束；分別在制動工況i=0、牽引工況i=0.5以及額定工況i=0.97下，施加泵輪和渦輪對應的離心載荷；

載荷施加：

在限矩型液力偶合器全充液工況下，對轉速比i=0、i=0.5、i=0.97這3種工況進行CFD數值模擬，得到液力偶合器內部流場的壓力和速度分布，接下來將計算數據導入，并施加于液力偶合器，對其進行強度計算。

4.2 仿真及結果分析

筆者在Workbench的Static Structural中進行流固耦合的仿真分析，得到了3種典型工況下葉輪的總體變形量和等效應力。

總體變形量和等效應力如圖5所示。

圖5 總體變形量和等效壓力

根據圖5，從3種工況下的總體變形量和等效應力的對比可以分析出：

（1）制動工況時，最大等效應力為33.87 MPa；（2）牽引工況時，最大等效應力為19.55 MPa；（3）制動工況時，最大等效應力為12.65 MPa。

隨著渦輪轉速的提高，泵輪和渦輪的轉速差變小，轉速比變大，葉輪對工作液的阻滯作用越來越弱，工作液對葉輪壁面產生的正應力逐漸減弱，葉輪的最大變形量和等效應力逐漸減小。同時，偶合器內部的壓力趨于均勻，并且沿徑向出現層狀分布特性，越靠近外環(huán)，壓力越大，D處泵輪出口和渦輪進口的交界，此處為較大應力區(qū)，是最容易發(fā)生損壞的部位；渦輪E處一直都是受工作液應力較大位置，并且隨轉速比的提高，應力越來越大。

從流固耦合的結果可知：在制動工況i=0時，整個葉珊系統的等效應力最大，最大等效應力為33.87 MPa。

液力偶合器的正常工作溫度為90 ℃～100 ℃，經查閱相關材料手冊，可得葉輪材料的強度極限σb為270 MPa，循環(huán)交變載荷下葉輪的疲勞強度為119.5 MPa。將其與最大等效應力對比可得：葉輪材料的強度能夠滿足正常工作要求。

泵輪局局部破損圖如圖6所示。

圖6 泵輪局部破損

圖6中，F處為葉輪由于某種原因破損的位置。此位置與葉片制動工況i=0所受到的應力最大位置D是同一位置；通過對比D處的所受應力與葉片材料的極限強度，可以排除偶合器正常工作情況下，因為工作液對葉片的應力而導致葉輪破損的可能[12-15]。

5 結束語

針對限矩型液力偶合器在正常工況下出現破損的問題，筆者對偶合器的速度、壓力以及矢量進行了分析，對偶合器葉輪的受力特性進行研究，通過CFD軟件和靜力學分析軟件，對限矩型液力偶合器的內部工作液分布和葉片強度進行了研究，得到了偶合器內部的速度、壓力分布情況以及葉輪結構的總體形變量和等效壓力。

研究結果表明：

（1）通過Fluent流場分析可知：速比低時，泵輪和渦輪的轉速差大，渦輪對來自泵輪的高速液體的阻滯作用強，在渦輪中央產生大區(qū)域的回流、旋渦以及低速負壓區(qū)，這是造成能量損失、效率低的主要原因，可以通過改變容腔的結構來減弱回流、旋渦以及縮小低速負壓區(qū)的面積，為偶合器的結構優(yōu)化提供了一種有效途徑；

（2）通過采用單向耦合的耦合方式，求解計算了3種典型工況下的葉片的受力和變形，得出結論，即在正常工況下泵輪出口、渦輪入口以及渦輪出口受到工作液的正壓力最大，容易造成葉輪的破損；

（3）通過流固耦合的結果可知：在制動工況i=0時偶合器葉片受到應力最大，并且葉片最大應力位置D處與葉片損壞位置F處為同一位置；通過對比材料的強度與葉片受力的最大值，得到結論，即偶合器葉片在正常工作情況下F處的受力情況滿足葉片材料的強度要求，因此，可以排除葉片F處因為工作液作用而破壞的可能。