液力偶合器叶轮三维整体有限元强度分析方法

　　近年来,液力偶合器广泛应用于冶金、矿山、发电、水泥、化工、纺织、船舶等行业,取得了显著的经济效益,并有大型化的趋势。我们最近设计的某液力偶合器传递的功率为5702kW,转速为1084r/min,其外缘的线速度高达81.73m/s,工作轮承受很大的离心力和油压力,因此强度问题是大功率高转速液力偶合器的关键问题。

　　以前受到软硬件条件的限制,对偶合器叶轮强度分析长期停留在二维有限元的层次上,三维分析仅尝试过四分之一轮,边界条件设置困难,分析结果的准确性不高。本文在流体力学和动力学理论基础上,对液力偶合器叶轮进行了三维整体有限元分析计算,最后得到叶轮的应力分布情况,在满足强度要求的前提下为液力偶合器的设计、制造和结构优化提供了可靠的依据。

　　1　有限元模型的建立

　　(1)几何模型

　　偶合器的叶轮包括泵轮和涡轮,他们在工作时,泵轮负荷始终大于涡轮(泵轮转速、功率均大于涡轮),而且涡轮由于轮壁内外工作液体产生的压力互相抵消,受力较小,因此,在材质和结构尺寸相同的情况下,可只对泵轮进行强度计算。泵轮的三维实体模型如图1所示。

　　(2)主要参数

　　泵轮有效直径:1287mm

　　泵轮叶片数:23片斜叶片

　　泵轮材料:铸铝ZL114A

　　弹性模量:70GPa

　　泊松比:0.3

　　转速:1084r/min

　　额定功率:5702kg/m³

　　工作油密度:870kg/m³

　　金属材料的密度:2700kg/m³

　　(3)有限元模型

　　为了对泵轮进行比较精确的强度计算,取整个泵轮作为研究对象,采用10节点的四面体单元SOLID92进行网格划分,每个节点上有三个自由度(x,y,z方向上的位移),利用ANSYS5.7提供的自由网格划分工具,对实体模型进行自由网格划分,生成可靠的高质量的实体单元,如图2所示。

　　泵轮有限元模型参数如下:

　　节点(Node)数:214215

　　单元(Element)数:132238

　　单元种类:SOLID92(10节点四面体单元)

　　计算中采用线弹性材料,其基本参数如下:

　　弹性模量;70GPa

　　泊松比:0.30

　　屈服极限:190MPa

　　强度极限:250MPa

　　计算过程中,根据经验选择计算类型为静态线性结构分析。

　　对边界约束条件的处理如下:如图3所示,对面1、面3分别施加X两个方向的位移约束,对面2施加YZ两个方向的位移约束,这样整个的边界条件处理可大致相当于实际情况下的工况。

　　2　受力分析和载荷模型

　　偶合器在高速转动工作时,在泵轮上主要是承受四个方面的作用力。如图4所示,一是金属材料在高速转动时产生的离心力Pv,二是工作液体对型腔内壁的压力Px,三是工作液体对叶片的作用力Py,四是转动外壳对泵轮的作用力Pz。这些由传统的动力计算得到。