SVTL調速型液力偶合器葉輪強度有限元分析

1、    svtl調速型液力偶合器葉輪強度有限元分析    段鵬飛+姜文震+吳岳+邵萬珍摘  要：構造了svtl調速型偶合器的三維實體模型，結合hypermesh與ansys軟件對該偶合器的葉輪強度進行了有限元分析，給出了葉輪的應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計和制造提供可靠的數(shù)據(jù)和方法。關鍵詞：液力偶合器;葉輪;有限元分析;ansys：th137.331           ：a &#

2、160;             doi：10.15913/ki.kjycx.2015.01.015調速型液力偶合器是以液體為介質給工作機械傳遞動力的聯(lián)軸器，它可在電機轉速不變的情況下實現(xiàn)輸出轉速的無級調速，具有隔離扭振、過載保護、啟動電機空載等功能，被廣泛應用于國民經濟的各個行業(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輪，接收發(fā)動機傳動來的機械能并傳給工作液;渦輪為從動輪，接收由工作液傳遞的動能，并帶動工作機運行。調速型液力偶合器葉輪的失效問題主要發(fā)生在

3、泵輪，因此，只需分析、計算泵輪即可。一旦葉輪葉片發(fā)生碎裂，將直接導致軸承損壞，進而使整機失效。1  設計參數(shù)svtl型偶合器的設計參數(shù)和葉輪的設計參數(shù)如下：額定傳遞功率為500 kw;額定轉速為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;屈服強度為231 mpa。2  偶合器的結構2.

4、1  結構特點偶合器的結構特點包括以下4點：現(xiàn)有的偶合器的埋入軸承內環(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，在旋轉殼體內部增加了支撐盤，埋入軸承的外環(huán)通過軸承座直接與泵輪體相連。現(xiàn)有的偶合器埋入軸承多采用4點接觸球軸承，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荷（比如偶合器的旋轉組件），或在沖擊載荷下工作，具有較好的抗沖擊能力?，F(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

5、的法蘭上開有潤滑油孔，油液通過潤滑油孔進入輸入端法蘭與埋入軸承之間的腔體內。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油孔進入工作腔，從而可減少油液的浪費。2.2  泵輪的幾何模型泵輪的pro/e實體模型如圖1所示。圖1  泵輪的pro/e實體模型3  葉輪的有限元分析3.1  網(wǎng)格劃分取泵輪的1/2為對象進行網(wǎng)格劃分，這樣可以大大提高計算效率。利用hypermesh軟件，采用四面體實體單元對泵輪實體模型進行自由網(wǎng)格劃分。泵輪的單元類型為c3d4

6、（四節(jié)點線性四面體單元），單元總數(shù)為1 297 209，節(jié)點總數(shù)為316 646.3.2  載荷的計算在液力偶合器工作時，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軟件加載項中的定義材料密度、旋轉角速度體現(xiàn)，并施加在單元上。3.2.2  離心力在殼體內表面產生的壓力離心力在殼體內表面產生的壓力由高速旋轉工作液體的離心力（偶合器內液體處于充滿狀態(tài)）與供油系統(tǒng)的充油壓力共同構成，并作用在泵輪殼體的內壁上。泵輪的內壁由葉片分割成一個個單獨的

7、腔體，將計算出的壓力施加在每個腔體的內壁上，計算公式如下：px=p0+2（r2）/2.                 （1）式（1）中：px為離心力在殼體內表面產生的壓力;p0為偶合器充油系統(tǒng)的供油壓力，0.2 mpa;為泵輪角速度，870 kg/m3;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），p

8、x=0.345 mpa。取其平均值0.837 5 mpa作為工作液體對泵輪殼體內壁的壓力。3.2.3  葉片受到的沖擊力當工作液體循環(huán)穩(wěn)定時，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量實現(xiàn)，而液體牽連運動所產生的動量沖擊會作用在葉片上。 葉片所受的作用力簡化為垂直于葉片的均布載荷，計算公式為：.                    &

9、#160; （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個方向的位移。3.4  計算結果分析通過ansys軟件計算得出，泵輪在高速旋轉工作時，各分力作用和合力作用下的有限元分析結果如圖2和圖3所示。圖2  泵輪應力云圖

10、60;               圖3  泵輪位移云圖計算得出，葉輪在離心力的作用下，泵輪的應力最大，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;在其他兩個力的作用下，泵輪的應力分別為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，泵輪的最大應力為178.8 mpa，發(fā)生在葉片內緣根部與

11、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，最大應力值低于屈服極限，安全系數(shù)s為1.74，技術手冊中規(guī)定塑性材料的安全系數(shù)在1.52.0之間。因此，上述計算結果符合規(guī)定，在正常情況下泵輪不會失效，可安全運行。泵輪邊緣最大位移值為0.907 mm，滿足使用要求。4  結論葉輪在高速旋轉時，應力變化主要是因金屬材料在高速轉動時產生的離心力而導致的，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)量的進油孔，這在一定程度上減少了泵輪的質量。因此，降低泵輪質量可有效地降低葉輪旋轉時所產生的離心力。葉片根部與內腔連接處是泵輪最大應力的發(fā)生處，泵輪殼體在離心力的作用下產生變形后會導致葉片拉伸。為了有效延長葉片的壽命，進而延長整機壽命，可適當增大葉片與殼體內壁連接處的過渡圓角。參考文獻1楊乃喬.液力調速與節(jié)能m.北京：國防工業(yè)出版社，2000.2楊乃喬.液力偶合器m.北京：機械工業(yè)出版社，1