液力偶合器泵輪轉子系統(tǒng)有限元強度分析

馬士濤，陳乃娟

(1.江蘇神盾工程機械有限公司，江蘇 淮安 211600；2.中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

近年來，我國旋轉機械應用不斷向高轉速、大扭矩等惡劣工況發(fā)展，作為節(jié)能設備的液力偶合器，不僅具有無級調速、操作簡單、維修便利、工作可靠、調節(jié)靈活的特點，而且能達到全程自動調節(jié)的效果，過載保護性能較好，即使出現(xiàn)載荷過大導致停轉的狀況，主動軸仍然可以轉動，可適應變化的載荷，電能得到大量的節(jié)約。在電力、石化、機械工程、煤礦、市政的供水與供氣以及輕工等眾多行業(yè)中得到廣泛應用[1-2]。

液力偶合器主要由泵輪、渦輪、主動(輸入)軸及從動(輸出)軸、轉動外殼、勺管等組成。泵輪、渦輪分別安裝在主動軸、從動軸上，兩者具有同等徑向尺寸的腔形，之間具有間隙相互耦合組成工作油腔室[3]，泵輪內側流動的工作油跟著動力機共同進行旋轉運動，由于離心力的存在，油甩進泵輪的外側，進而高速流入相鄰的渦輪葉片，在渦輪內側，油速逐漸降低，在流回至泵輪內側時構成一個循環(huán)周期。在工作腔中，從工作介質的軌跡可以看出是三維運動。隨著液力偶合器向大功率、高轉速發(fā)展，作業(yè)工況也越來越惡劣，在各種行業(yè)應用中經(jīng)常發(fā)生因結構強度不足或者設計不規(guī)范等原因出現(xiàn)停機事故。在工程中，泵輪轉子系統(tǒng)結構的合理設計可有效防止螺栓發(fā)生飛落、泵渦輪產(chǎn)生爆裂、傳動軸容易形成斷裂或扭曲等現(xiàn)象[4-5]，避免影響設備正常運行，液力偶合器泵輪轉子系統(tǒng)的安全性、可靠性顯得尤為重要。本文基于有限元法對大型液力偶合器泵輪轉子系統(tǒng)進行有限元強度仿真分析，為設備的安全性能及優(yōu)化設計提供依據(jù)，也為設計新型液力偶合器泵輪轉子系統(tǒng)結構打下理論基礎。

1 泵輪轉子系統(tǒng)結構參數(shù)

泵渦輪轉子系統(tǒng)如圖1所示，含泵輪、轉動外殼、泵輪軸、小齒輪以及聯(lián)接螺栓等，具體分析模型參數(shù)見表1。泵輪軸通過12個M20螺釘與泵輪相連，而泵輪通過56個M12螺釘與轉動外殼相連，泵輪軸上有2個徑向軸承和1個推力軸承。增速型液力偶合器通過大小齒輪嚙合，泵輪系統(tǒng)有較高轉速，泵輪內的工作油在葉片的高速旋轉下，由于離心力作用把工作油甩到渦輪葉片腔體內，渦輪軸帶動如離心泵等設備旋轉運動。雖然泵輪、渦輪內油壓會有一定的損失，形成一定滑差，但整個系統(tǒng)作用在高速旋轉離心的惡劣工況中，零部件之間的連接至關重要。

表1 液力偶合器特性參數(shù)

2 泵輪轉子系統(tǒng)強度分析

2.1 模型前處理

為了關注泵輪轉子系統(tǒng)零部件關鍵區(qū)域應力、應變變化情況，確保模擬準確性，提高模型的計算效率，對模型簡化如下：省略螺紋聯(lián)接處螺牙建模、泵輪中回油孔以及泵輪軸軸向開孔等細微結構，保證求解過程不影響模型實質性分析。

應用三維軟件對泵輪轉子系統(tǒng)進行建模(見圖2)，泵輪轉子系統(tǒng)中各零部件材質及力學性能見表2，體網(wǎng)格劃分采用SOLID45六面體單元[6-7]，Element：226110，Node：383854，已考慮網(wǎng)格無關性。泵輪軸采用Cylindrical，模擬徑向軸承設置Radial為Fixed，Axial與Tangential均為Free，泵輪軸端推力軸承處約束軸向位移為0。

a) 三維模型

表2 泵輪轉子系統(tǒng)各零部件材質及力學性能

泵輪軸小齒輪處施加不同轉速下的扭矩，螺栓均加載預緊力(M12：30 000 N；M20：110 000 N)，泵輪轉子系統(tǒng)施加不同轉速(離心力)，重力以及泵輪腔壁、葉片以及轉動外殼施加油壓力(最大外緣壓力)。泵輪軸與M20螺釘連接面處bonded，泵輪與螺釘接合處bonded，同樣的方式處理泵輪與轉動外殼之間的螺釘接觸[8]。不同工況下轉子系統(tǒng)的傳動參數(shù)見表3。

表3 不同工況下轉子系統(tǒng)的傳動參數(shù)

2.2 計算結果和分析

利用裝配體接觸分析[9-10]，設置各參數(shù)，求解得到不同轉速工況下的各零件應力、應變云圖(見圖3～圖5)。

a) 極限工況

a) 極限工況

a) 極限工況

根據(jù)圖3不同工況下轉動外殼應力、應變云圖可知，轉動外殼在不同工況下最大應力發(fā)生在外殼最小直徑處，隨著轉速的降低，其應力也相應減小，均小于材料的屈服極限，其安全系數(shù)分別為1.6、1.7、1.7、1.77；在最大工況和額定工況下，轉動外殼的施加荷載一致，所以產(chǎn)生的應力也未發(fā)生變化；轉動外殼最大應變同樣發(fā)生在外殼最小直徑處，即遠離轉動外殼聯(lián)接螺釘沿軸向膨脹的位移。

根據(jù)圖4不同工況下轉動外殼應力、應變云圖可知，泵輪在不同工況下最大應力均發(fā)生在泵輪與轉動外殼聯(lián)接螺栓處，此處集中應力產(chǎn)生，由于泵輪內壓力是流體非線性變化，入口油壓約0.3 MPa，但在高速運轉下，葉片外端的壓力得到數(shù)倍增加，初步按照6 MPa施加，應力集中值在不同工況下變化不大，隨著轉速的降低而相應減小，均小于材料的屈服極限，其安全系數(shù)分別為1.1、1.16、1.16、1.2；其余處在不同工況下均有大于3的安全系數(shù)；最大應變發(fā)生在泵輪最外端。

根據(jù)圖5不同工況下泵輪軸聯(lián)接螺栓應力、應變云圖可知，各工況下聯(lián)接螺栓產(chǎn)生了剪切應力，發(fā)生在兩零件聯(lián)接處，泵輪軸聯(lián)接螺栓最大應力約為470 MPa，轉動外殼側聯(lián)接螺栓最大應力約為624 MPa，均小于材料的許用應力，安全系數(shù)分別大于1.88和1.4，與理論計算相接近。

3 試驗測試

通過工廠性能試驗(見圖6)以及電站現(xiàn)場聯(lián)機試驗，偶合器在起動、運行、停機及切斷設備電源等工況下進行持續(xù)監(jiān)控，同時運行中勺管處于最低至最大100%勺管位置時，檢測允許溫度、工作油及潤滑油壓力、振動、噪聲等各項性能指標良好，整機輸入端、輸出端以及泵渦輪軸振動指標均滿足設計標準值，小于0.038 mm；噪聲小于85 dB(A)；過熱試驗(在允許最高油溫的110%油溫下)密封檢測中法蘭接頭、輸入軸、輸出軸、中分面及側面螺栓均未滲漏；傳遞功率、轉速以及全載滑差滿足設計要求。

圖6 液力偶合器整機試驗

偶合器滿負荷運行2年后，拆卸泵輪轉子系統(tǒng)均未發(fā)生磨損，葉片未沖蝕、未發(fā)生裂紋，高強度螺栓均未發(fā)生斷裂等現(xiàn)象，通過試驗臺復測，該偶合器的各項性能指標基本保持不變，具有一定的安全性、可靠性。

4 結語

本文利用有限元法對大型液力偶合器泵輪轉子系統(tǒng)進行強度分析，對泵輪系統(tǒng)各零部件在極限工況、最大工況、額定工況以及正常工況下進行計算，其安全系數(shù)及剛度均滿足設計需求，結論如下：1)轉動外殼在不同工況下最大應力發(fā)生在外殼最小直徑處，均小于材料的屈服極限，并有足夠的安全系數(shù)，具有遠離轉動外殼聯(lián)接螺釘沿軸向膨脹的位移；2)泵輪在不同工況下最大應力均發(fā)生在泵輪與轉動外殼聯(lián)接螺栓處，此處有集中應力產(chǎn)生，螺栓材料的選擇及數(shù)量布置尤為重要；3)泵輪軸聯(lián)接螺栓在不同工況下剪切應力發(fā)生在兩零件聯(lián)接處，泵輪軸和轉動外殼側聯(lián)接螺栓均有剪切應力產(chǎn)生，均小于材料的許用應力，有足夠的安全系數(shù)。

產(chǎn)品已在電站滿負荷穩(wěn)定運行得到驗證，通過對液力偶合器泵輪轉子系統(tǒng)進行強度分析，為產(chǎn)品研制及升級提供了技術支持和安全保證。