调速型液力偶合器叶轮强度有限元分析

    0　引言

    调速型液力偶合器是液力传动元件并可以实现无级调速.动力机通过输入轴带动泵轮旋转,从而带动泵轮腔内的液体旋转,将机械能转化为液体的动能;旋转的液体冲入涡轮的腔内,使涡轮转动,从而通过输出轴带动工作机旋转,将液体的动能转化为机械能;通过调节导液管的径向位置,以调节工作腔内的充液量,从而无级调节输出转速.

    调速型液力偶合器的设计存在以下难题:①泵轮与涡轮是主要的受力零件,一旦发生叶轮碎裂,将直接导致轴承损坏,从而导致整机失效[1].而泵轮与涡轮的结构是半环形且径向均匀分布着很多薄叶片,传统的设计计算无法将其简化成材料力学中的计算模型;②目前偶合器厂家采用相似设计理论,与从德国引进的产品进行比较设计,这样就增加了设计中的不确定性;③由于叶轮直径大、转速高,安全性要求高,导致设计认为增大安全系数.

    为了使设计更科学、更合理,本文应用流体力学和动力学理论,利用I-DEAS软件对叶轮进行了有限元分析,得到叶轮的应力分布云图.根据计算结果,合理选用材料,调整叶轮结构,为新型液力偶合器的设计提供了有效的、新的计算方法.

    国内用软件对偶合器叶轮强度分析方面的工作,刚刚起步.由于偶合器腔内的力主要是由液体旋转产生,很复杂.在力学模型简化方面,各研究者存很大的差异[2].有些研究将液体对腔壁的压力用旋转产生的压头的压力[3]来体现,并考虑液体对叶轮的轴向压力.本文将液体对腔壁的压力转化成液体旋转的离心力作用在叶轮体上,将液体对叶轮的轴向压力,看作自身的内力平衡掉,不予考虑.

    1　偶合器的设计参数

    本文计算的偶合器,额定传递功率7 000 kW;额定转速6 000 r/min;循环圆有效直径500mm.其它设计参数见表1.

    2　模型的建立

    2.1　几何模型

    液力偶合器的叶轮包括泵轮和涡轮.泵轮体内焊有54片叶片,其三维实体模型如图1所示;涡轮体内焊有53片叶片,其三维实体模型如图2所示.

    2.2　有限元模型

    2. 2. 1　网格划分

    考虑到结构的对称性,做出了叶轮二分之一的有限元模型网格[4-5].

    由于体与叶片连接处实体体积相差悬殊,采用10节点的四面体实体单元进行网格划分,这样可以保证计算结果的可靠性.

    泵轮单元总数为41 462,结点总数12 976,其有限元网格如图3所示;涡轮单元总数为83 701,结点总数26 995,其有限元网格如图4所示.

    2. 2. 2　载荷的计算

    偶合器在工作时,泵轮上主要承受三个方面的作用力.