双腔液力偶合器叶轮的有限元分析

　　本文建立了双腔液力偶合器叶轮三维实体模型，并在流体力学和动力学理论基础上对叶轮强度进行有限元分析，得到应力和位移分布情况，为液力偶合器的设计、制造提供可靠依据。

　　1 偶合器结构及载荷分析

　　(1) 偶合器结构与基本参数

　　双腔液力偶合器的一对泵轮由连接筒连接，分别驱动，安装在输出轴上的涡轮带动工作机。福伊特 DTPKW562 型阀控充液式偶合器[1]

　　基本参数为:

　　(2) 偶合器载荷分析

　　偶合器叶轮的主要载荷包括:液压力、离心力、轴向力及传递扭矩[2]。

　　1) 液压力

式中:ω—泵轮旋转角速度，ω = 156 rad /s;

　　ρ—工作液体密度，ρ = 1 × 10³kg / m³;

　　R₃，R₄—泵轮的外、内半径。

　　2) 液流作用力

　　液流对叶片的作用力是连续动载荷，在稳定工况下可按均布静载荷考虑。超载时液体作大循环流动，近似遍及整个圆环面积，叶片受到的液流作用力为:

式中:Φ—力矩增值系数，取  = 1. 2;

　　M—作用在叶轮上的力矩，M = 9 000 N·m;

　　Z—叶轮叶片数，Z = 48;

　　L—叶片圆心点的旋转半径，L = 0. 029 m;

　　A—叶轮叶片承载面积。

　　3) 轴向力

　　泵轮的轴向力是由作用在泵轮工作腔内的液压力引起的。轴向力 F_A与泵轮工作腔液压力 F_C相等，即 F_A= F_C。

　　令泵轮中距轴线 r 处的液压力为:

式中:R₁(R₄)，R₂(R₃)—泵轮的内、外半径。

　　2 建立有限元模型

　　(1) 几何模型

　　由于叶轮受力情况复杂，如果取四分之一叶轮分析虽可减少计算量，但容易出现应力奇异点。现以 DTPKW562 型液力偶合器的整个泵轮为研究对象。在三维建模软件 Pro/ENGINEER Wildfire2. 0 中建立叶轮的几何模型，如图2 所示。

　　(2) 有限元模型

　　利用ANSYS 与 Pro/E 之间的接口将叶轮实体模型导入 ANSYS 软件中。按照 ANSYS 系统提供的单元库，结合偶合器叶轮的结构特点，选用 Solid92实体单元进行网格划分。Solid92 是有中间节点的二次十节点四面体实体单元。每个单元具有3 个方向的位移自由度，具有可塑性、应力强化、大变形和大应变的特性，对复杂的三维实体模型有较好的计算精度。

　　采用ANSYS Workbench 默认的自由网格划分方式可以满足有限元分析的要求。由于叶轮总体尺寸比较大，而厚度较小，采用智能尺寸控制，网格不均匀，计算精度差，因此采用人工设置网格尺寸大小，单元边长取5 mm。最终形成的叶轮有限元模型节点数为361 425，单元数为197 379。见图3。