YO750液力偶合器叶轮强度有限元分析

　　1 前言

　　液力传动装置在我国的工业领域中得到广泛运用。液力传动元件的可靠性是液力传动装置可靠性的关键。

　　近年来,我公司设计的YO750偶合器传动箱已在油田钻机上得到运用。液力偶合器是靠偶合器泵轮、涡轮组成的工作腔内的液体来传递动力,液力偶合器的叶轮是传递动力的关键元件,一旦发生叶轮叶片碎裂,将直接导致整机失效。YO750偶合器是一种新型产品,传递的功率和转速都比较大,为保证其设计的科学性、经济性,本文在流体力学和动力学理论基础上,利用ANSYS软件进行了三维有限元分析计算,最后得到叶轮的应力和位移分布情况,在满足强度要求的前提下,缩减了叶轮的基本厚度,可满足油田钻机的使用。为液力偶合器的设计、制造提供了可靠的依据。

　　2 偶合器叶轮有限元应力计算

　　2.1 叶轮几何参数

　　材料:铝

　　密度:2 700 kg/m³

　　弹性模量:70 GPa

　　额定工作转速:1 500 r/min

　　工作油密度:813@102kg/m³

　　2.2 网格划分

　　在偶合器的3个旋转件中强度条件最差的为旋转外壳和泵轮,涡轮的强度条件最好。本文将主要计算旋转外壳和泵轮的强度。

　　考虑到结构的对称性和计算的经济性,取泵轮和旋转外壳的四分之一模型为网格划分对象,均以四面体实体单元进行划分。其三维有限元实体模型如图1、图2所示。

　　2.3 边界条件处理

　　在泵轮壳体中心平面上约束3个方向的位移R、H、Z,并在四分之一对称面施加径向对称约束。旋转外壳外缘约束H,内环面中心平面上约束R、H,并在四分之一对称面施加径向对称约束。

　　2.4 载荷工况

　　2.4.1 泵轮载荷工况

　　根据液力偶合器的工作特性,其在高速转动工作时,泵轮主要承受如下3个方面的作用力。

　　2.4.1.1 金属材料在高速转动时产生的离心力

　　壳体自身离心力作用,通过定义材料密度(2 700 kg/m3)和旋转速度(1 500 r/min)来对所有单元施加离心力作用。

　　2.4.1.2 工作液体对型腔内壁的压力

　　工作液体对叶轮壳体内壁压力是指工作液体在偶合器内液体充满状态下对叶轮壳体内壁的压力。其主要由工作液体在高速旋转下的离心力和供油系统的充油压力构成,作用在叶轮壳体的内壁上。

式中:py为工作液体对型腔内壁的压力,MPa;p0为供油系统的充油压力,约012MPa;Q为工作油密度,830 kg/m³;u为型腔内壁的切向速度,m/s。

式中:r为型腔内壁作用点至旋转中心的距离,m。