關(guān)于調(diào)速型液力偶合器葉輪強(qiáng)度的有限元分析

楊化軍，林棟棟，王坤程

（中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

調(diào)速型液力偶合器葉輪使用階段，容易受到外力的影響，出現(xiàn)葉輪葉片碎裂等不良現(xiàn)象，需要設(shè)計(jì)人員提高重視，對于設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整改。尤其是現(xiàn)階段信息技術(shù)快速發(fā)展，有限元分析技術(shù)能夠?qū)τ谌S設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模仿真，計(jì)算出不同部分的應(yīng)力，便于為整體設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 有限元分析概述

有限元分析法是一種科學(xué)計(jì)算方法，在數(shù)值計(jì)算階段，主要通過網(wǎng)格劃分，將整體設(shè)計(jì)有效劃分為不同的單元，并且將求解域進(jìn)行離散，結(jié)合近似解求解策略，從而計(jì)算得出有限元的近似解。現(xiàn)階段技術(shù)人員重視自身能力的提升，結(jié)合離散化的靜特性有限元分析要求，將整體結(jié)構(gòu)劃分為不同的單元，使用節(jié)點(diǎn)約束來替代不同單元結(jié)構(gòu)的邊界約束條件，將整體空間有效劃分為不同的單元。

技術(shù)人員使用有限元分析，能夠?qū)τ谡w設(shè)計(jì)進(jìn)行有效劃分，并且使用人員在日常工作中，應(yīng)該按照有限元分析方法的原則，有序開展有限元分析，從而計(jì)算得出結(jié)構(gòu)不同位置的載荷。

當(dāng)前技術(shù)人員應(yīng)該選擇合適的單元，避免出現(xiàn)受力狀態(tài)失真等不良現(xiàn)象，并且設(shè)計(jì)人員應(yīng)該使用一些對稱性與重復(fù)性較高的設(shè)計(jì)，從而減少計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算的時(shí)間。當(dāng)前技術(shù)人員還需要結(jié)合整體設(shè)計(jì)，選擇合適的數(shù)學(xué)模型，提高數(shù)學(xué)分析的準(zhǔn)確性。

有限元分析需要技術(shù)人員對于整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且確定單元類型，對于整體設(shè)計(jì)進(jìn)行區(qū)分，適當(dāng)簡化整體設(shè)計(jì)，便于計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算得出結(jié)果。

2 偶合器整體結(jié)構(gòu)

偶合器在使用階段，內(nèi)環(huán)與輸出軸之間連接，而外環(huán)則是與輸出軸承座之間相互連接。整體設(shè)計(jì)較為繁瑣，需要施工技術(shù)人員提高重視，不斷優(yōu)化整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。目前較為先進(jìn)的偶合器設(shè)計(jì)并沒有選擇大慣量的背殼，在旋轉(zhuǎn)體的外殼添加了一定的支撐盤。至于偶合器的埋入軸承主要使用四點(diǎn)接觸的球軸承，在整體設(shè)計(jì)階段，由于軸承與輸入軸承之間存在較大的空間，需要設(shè)計(jì)人員選擇合適的設(shè)計(jì)思路，有效降低軸承的承重負(fù)荷。當(dāng)前技術(shù)人員應(yīng)該重視整體設(shè)計(jì)，便于該設(shè)備具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。設(shè)計(jì)人員在該設(shè)備使用階段添加潤滑油開孔，便于油液能夠順著管道流入到軸承腔體內(nèi)部。現(xiàn)階段技術(shù)人員重視整體設(shè)計(jì)，并且在背部添加了一定的擋油環(huán)，避免該設(shè)備在使用階段，出現(xiàn)異常。

圖1 泵輪的三維仿真模型

3 調(diào)速型液壓偶合器葉輪強(qiáng)度有限元分析

3.1 三維模型建立

當(dāng)前設(shè)計(jì)人員在建立三維模型時(shí)，需要使用UG與I-DEAS軟件來提高整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員可以使用UG軟件完成細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，并且使用I-DEAS軟件來完成線條布局。設(shè)計(jì)人員在日常工作中，需要建立一個二維工作平面，將整體設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行放置，并且為該零件添加約束線框，設(shè)計(jì)人員通過拉伸或者旋轉(zhuǎn)等途徑，完成整體零件的布局，便于該設(shè)備能夠正常使用。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)調(diào)速型液壓偶合器葉輪時(shí)，可以借助三維造型命令來完成實(shí)體的創(chuàng)建，并且對于整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造。現(xiàn)階段設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建泵輪以及渦輪等模型時(shí)，常見的操作步驟有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描與蒙皮等，設(shè)計(jì)人員結(jié)合偶合器葉輪葉片以及相關(guān)組件的特點(diǎn)，使用合適的三維立體命令，從而完成整體三維模型的建立。設(shè)計(jì)人員簡化整體結(jié)構(gòu)，便于計(jì)算機(jī)完成對該模型的有限元分析。在該三維模型建立中，設(shè)計(jì)人員需要使用UG軟件，對于該設(shè)備的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高整體設(shè)計(jì)工作質(zhì)量。在本次三維立體模型構(gòu)建中，設(shè)計(jì)人員主要使用了拉伸與旋轉(zhuǎn)的命令，從而提高整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.2 網(wǎng)格劃分和添加約束條件

現(xiàn)階段設(shè)計(jì)人員在網(wǎng)格劃分階段，按照整體布局的要求，將整體三維模型進(jìn)行有效劃分，將整體設(shè)計(jì)有效離散，通過將連續(xù)體分割成為不同的小塊單元，并且不同單元之間存在相互連接，通過該集合體來替代實(shí)驗(yàn)的三維模型。當(dāng)前設(shè)計(jì)人員在日常工作中，重視對三維立體模型的網(wǎng)格劃分，逐步提升有限元分析軟件工作效率。

設(shè)計(jì)人員使用有限元分析軟件，將不同單元的位置進(jìn)行分析，重視對有限元的仿真，計(jì)算葉輪在使用階段遭受的應(yīng)力變化。

當(dāng)前設(shè)計(jì)人員為了提高整體測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，將整體設(shè)計(jì)的泵輪進(jìn)行分割，選擇1/2來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)格劃分，將該設(shè)施有效劃分為不同的對象，便于該設(shè)備能夠正常使用。通過ANSYS軟件的網(wǎng)格劃分方法，將整體設(shè)計(jì)進(jìn)行有效劃分，形成集合體，便于該軟件能夠進(jìn)行有限元分析。

在后續(xù)工作中，設(shè)計(jì)人員還需要對于整體設(shè)備添加約束條件，在使用階段，對于該模型的材料屬性與旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行定義，便于有限元分析軟件能夠?qū)Σ煌瑔卧M(jìn)行計(jì)算，確定整體設(shè)備使用階段應(yīng)力變化。

調(diào)速器液力偶合器在使用階段，由于泵輪具有對稱性，設(shè)計(jì)人員選擇一半作為研究對象，能夠?qū)τ谠撛O(shè)備進(jìn)行明確，將施加于該圓圈上的不同螺孔進(jìn)行有效約束，避免該設(shè)備使用階段出現(xiàn)異常。

在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)人員劃分的單元類型為C3D4，總共單元數(shù)目為1297209，總共的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為316646。

3.3 載荷計(jì)算

在載荷計(jì)算階段，設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注該設(shè)備使用階段出現(xiàn)的離心力、內(nèi)部應(yīng)力以及葉片受到的沖擊力。其中離心力的計(jì)算較為便捷，施工技術(shù)人員在整體設(shè)計(jì)中，可以使用有限元分析軟件，對于該設(shè)備的密度與角速度進(jìn)行計(jì)算，便可以得出葉輪使用階段的離心力。

至于離心力在設(shè)備表面產(chǎn)生的壓力，設(shè)計(jì)人員對于整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該壓力主要由離心力與油液工作中產(chǎn)生的壓力共同組成，設(shè)計(jì)人員使用有限元分析軟件，將整體泵體劃分成為不同的腔體，在施工階段，及時(shí)計(jì)算不同腔體內(nèi)壁的壓力。

在泵輪整體葉片分割階段，設(shè)計(jì)人員按照計(jì)算公式：

在該公式中，其中Px離心力在設(shè)備表面的壓力，P0則表示油液在使用階段存在的外部壓力，ω表示葉輪轉(zhuǎn)動的角速度，ρ表示現(xiàn)階段油液的密度。通過該公式，可以得出單個腔體的離心力落于外殼表面的壓力。在該設(shè)計(jì)中，P0為0.2MPa，而r為325，角速度為860kg/m3，計(jì)算得出該腔體的最大壓力為1.32MPa。

除此之外，葉片同樣在運(yùn)行中，容易受到外界沖擊力的影響。設(shè)計(jì)人員在載荷計(jì)算時(shí)，對于偶合器使用階段的扭矩進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合動量守恒，對于當(dāng)前液體的作用力進(jìn)行計(jì)算，并且設(shè)計(jì)人員可以將葉片受到的外界作用力轉(zhuǎn)化為葉片的垂直載荷，從而提高整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)前設(shè)計(jì)人員結(jié)合該軟件，使用有限元分析可以發(fā)現(xiàn)該設(shè)備應(yīng)力如圖2所示。

圖2 泵輪的應(yīng)力分析數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)人員通過該圖表，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備在使用階段泵輪的要主要集中在葉輪上，通過有限元的分析結(jié)果，計(jì)算得出最大值為155MPa。至于設(shè)備使用階段出現(xiàn)的位移，主要集中在葉片的根部，在外力的作用下，最大位移達(dá)到了0.521mm。現(xiàn)階段設(shè)計(jì)人員結(jié)合該數(shù)據(jù)，掌握了設(shè)備使用階段出現(xiàn)的應(yīng)力變化，為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

當(dāng)前技術(shù)人員在使用階段，對于葉片的材料進(jìn)行設(shè)置，該材料的屈服極限為300MPa，能夠抵御該設(shè)備使用階段出現(xiàn)的應(yīng)力。設(shè)計(jì)人員結(jié)合安全系數(shù)的計(jì)算公式，可以發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的安全系數(shù)為1.79。按照該設(shè)備的使用要求，安全系數(shù)處于正常范圍。當(dāng)前整體設(shè)計(jì)方案具有較高的可行性，滿足泵輪設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段技術(shù)人員使用有限元分析技術(shù)，關(guān)注葉輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)力變化，調(diào)速型偶合器使用階段，由于設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)，造成葉輪的應(yīng)力出現(xiàn)了較大的變化，為了延長該設(shè)備的使用壽命，設(shè)計(jì)人員結(jié)合有限元分析結(jié)果，適當(dāng)增加葉片與殼體之間的過渡圓角，有效降低葉輪旋轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的異常，提高整體設(shè)備的穩(wěn)定性。