液力偶合器叶轮强度分析及试验验证

李岳峰,谢梦书,李松山,侯天柱,李 唐

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

液力偶合器叶轮强度分析及试验验证

李岳峰,谢梦书,李松山,侯天柱,李 唐

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

通过分析给出了液力偶合器叶轮载荷的数学模型，并利用该载荷模型对某型液力偶合器叶轮进行整体有限元强度分析，建立了该型号偶合器叶轮强度测试试验台，采用应变片对泵轮叶片指定位置强度进行测试。结果表明，利用理论分析建立的载荷模型对叶片进行有限元分析的结果与叶片实际测试结果较吻合，为该系列产品的设计与强度分析提供了依据。

液力偶合器；叶轮；有限元强度分析；应力测试；试验验证

液力偶合器作为一种液力传动元件，具有带载起动、隔离扭振、降低噪声等功能，广泛应用于冶金、矿山、发电、水泥、船舶等行业。液力偶合器的叶轮包括泵轮、涡轮、转动外壳，材料主要选用铸钢、铸造铝合金、钢材焊接件或整体锻钢等，传统的通过限制工作轮最大线速度[1]来保证其强度及可靠性的方法已不能适应产品的大功率化发展需要，运用二维有限元计算法[2]、三维有限元计算法[3]进行偶合器工作轮的强度分析，由于过度简化载荷、只分析零件的一部分等，使计算结果的精确度受到影响。

本文应用三维软件对偶合器叶轮进行三维造型，对叶轮内液流按二元匀速流的流动模型进行解析计算，获得液流对叶轮的作用力后用有限元软件进行加载及强度分析，得到的结果与试验结果相对比，证明了载荷模型与有限元分析方法在实际应用中的可行性，为液力偶合器的设计、制造和结构优化提供了可行的分析方法。

1 载荷模型

液力偶合器在额定工况下，所受的载荷是稳定的，可按静载荷考虑。叶轮受力主要由4部分组成：

a．在高速旋转中叶轮自身质量构成的离心力。

b．工作液体作用在叶轮内壁上的液体压力，由液体随叶轮旋转和在叶轮型腔内循环流动2种运动合成。

c．工作液体作用在叶片上的圆周力。

d．轴对叶轮的作用力。

其中a部分对叶轮强度的影响最大，虽然零件形状复杂，但可以通过软件精确加载；d部分是对a,b,c部分合力的支反力，可以在软件静力分析过程中作为支承处理；b部分和c部分均为液流对叶轮的作用力，需要在建立叶轮液流模型的基础上进行解析计算获得。在液力偶合器叶轮中，液体的流态实质上是复杂的空间三元流动，为便于分析研究，通常将其简化如下[1]：

a.在泵轮-涡轮之间形成的型腔内为二元流动，既随叶轮做等速旋转，又沿着叶轮型腔内平均流线作匀速流动；

b.在涡轮-转动外壳之间的空腔内为一元流动，随叶轮做等速旋转，由于涡轮和转动外壳的转速不同，其流动为层流。

1.1工作液体作用在叶轮壳壁上的载荷

工作液体随叶轮旋转产生的对叶轮的面载荷为[2]：

(1)

式中：ρ为工作油密度；ω为叶轮旋转角速度；p0为已知点的油压；r0为已知点的旋转半径；r为该计算点的旋转半径。

工作液体在泵轮-涡轮型腔内循环流动产生的对叶轮的面载荷为[4-5]:

(2)

式中：rx为型腔曲率半径；Q为工作液体在型腔内循环流动的流量；R为流道有效半径；R0为最小油平面半径。

由于工作液体在型腔内的流动是上述2种运动的合成，所以其对叶轮壳壁的合成作用力为：

(3)

1.2工作液体作用在叶片上的载荷

根据液流在偶合器型腔内匀速流动的假定，给出以下公式[5-6]：

(4)

式中：φY为叶片载荷系数[1]，取为1.2；T为偶合器传递的转矩；z为叶轮叶片数；RY为叶片面心所处的回转半径；A为叶片面积；α为叶片倾角。

叶片载荷系数φY用于修正假定工况与实际工况之间的差异[1]，包括两个方面：一是实际工况下载荷的作用面积比叶片面积小，类似于一个圆环形；二是实际工况下，液流在循环流动过程中对叶片的作用力是变化的，即在泵轮中流动时作用力逐渐从最小增加到最大，在涡轮中流动时作用力逐渐从最大减少到最小。综合以上两个因素，取φY=1.2。

2 有限元强度分析

2.1有限元模型

以JO65XR型液力偶合器模型为例进行仿真分析，其叶轮包括泵轮、涡轮和转动外壳3个主要部分，如图1所示。

图1 泵轮、转动外壳和涡轮网格模型

2.2技术参数

JO65XR型液力偶合器叶轮材质为铝合金，主要技术参数如下。

额定功率/ kW： 2 288

弹性模量/ GPa： 70

泊松比： 0.3

密度/( kg·m-3)： 2 700

工作液体密度/( kg·m-3)： 870

2.3载荷条件

根据载荷模型公式，以额定工况为例解算出了各叶轮在额定工况下的载荷模型函数，见表1。

表1 模型载荷列表

注：表中的旋转速度以各模型的中心轴线作为旋转轴。

2.4仿真分析结果

根据表1中的载荷数值进行叶轮强度仿真分析，图2为各部件在离心力和液体压力共同作用下的强度分析结果：泵轮强度分析结果为最大等效应力出现在叶片与泵轮外圈连接处的根部(图2(a))；转动外壳强度分析结果为最大等效应力出现在螺栓孔处(图2(b))；涡轮强度分析结果为最大等效应力出现在叶片外圈根部(图2(c))。

图2 离心力和液体压力共同作用下的泵轮、外壳、涡轮等效应力图

3 叶轮强度试验验证

JO65XR型液力偶合器叶轮强度试验在传动装置试验台[7]上进行，试验台布置如图3所示，主要包括驱动电机、转矩转速传感器、膜片联轴器、液力偶合器、负载电机。试验台采用电封闭功率驱动系统，驱动电机带动被测液力偶合器以及加载电机做功，同时加载电机反向转动变为发电机，加载电机发出的电能直接输送到驱动电机，降低了电能消耗。

1—驱动电机；2—转矩、转速传感器；3—膜片联轴器；4—JO65XR液力偶合器试验箱；5—膜片联轴器；6—转矩、转速传感器；7—负载电机

根据2.4节仿真分析结果，在JO65XR型偶合器泵轮叶片外圈根部应力较大的适当位置粘贴三向应变片，以便测取相应点的应力强度数值，如图4所示。

由于泵轮处于高速旋转状态，应变片同时随其转动，不便于信号采集与传送，为此将与泵轮相连接的输入轴设计为空心轴，将应变片连接线沿输入空心轴引出至箱体外部。箱体输入端安装有电刷式集流环装置(如图5所示)，利用联轴器将集流环连接在输入轴上，使集流环转子随轴转动;将定子部分固定在箱体上，定子与转子紧密接触，应变片连接线与集流环转子相连，测试设备与定子连接，从而将应变片信号输出到测试设备中。

图4 泵轮应变片测试结构图

本试验测试了JO65XR型液力偶合器输入转速在1 100～1 500r/min之间、不同转矩工况下泵轮叶片测试点的应力值，并与相同工况下相应测试点有限元分析的应力值进行了对比，如图6所示，经过对7个工况的结果进行比较，实测值与仿真分析值平均误差为7.6 %，二者结果比较一致。具体测试点应力测试值与有限元分析值对比见表2。

图5 集流环装置结构图

图6 叶片应力试验值与分析值对比图

4 结束语

对液力偶合器叶轮进行强度分析时应充分考虑液流对叶轮的作用力，不仅要考虑液流随叶轮的旋转，还要考虑液流在偶合器型腔内的循环流动。通过解析计算可推导出液流对叶轮各面的作用力公式，在软件分析时按公式计算载荷进行加载。

表2 JO65XR型液力偶合器叶片应力试验值与有限元分析值对比表

通过具体型号偶合器的应力测试验证表明，对叶轮内液流按二元匀速流的流动模型进行载荷建模，并利用有限元软件进行加载及强度分析，获得的仿真分析结果与试验结果对比吻合较好，证明了该载荷模型与有限元分析方法可应用于实际工程中。

该有限元分析方法具有一定的通用性，可适用于各种不同形状和参数的液力偶合器。

[1] 杨乃乔．液力偶合器 [M]．北京：机械工业出版社，1989: 49-58.

[2] 郭成壁，陈全福．有限元法及其在动力机械中的应用 [M]．北京：国防工业出版社，1984：71-73．

[3] 韩东劲．调速型液力偶合器叶轮强度的有限元分析 [J]．煤矿机电，2001(6)：20-23．

[4] 成大先．机械设计手册：第2卷 [M]．4版．北京：化学工业出版社，2002：152-156．

[5] 童祖楹．液力偶合器 [M]．上海：上海交通大学出版社，1988：163-167．

[6] 宋光辉．液力偶合器叶轮三维整体有限元强度分析方法[J]．传动技术，2004，18(2)：15-17．

[7] 张红涛，侯天柱．液力偶合器流场仿真软件开发及试验验证 [J]．柴油机，2012，34(6)：32-36.

TheStrengthAnalysisandExperimentalVerificationfortheImpellerofFluidCoupling

LI Yuefeng, XIE Mengshu, LI Songshan, HOU Tianzhu, LI Tang

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai, 200090, China)

Based on the analysis of impeller characteristic, it presents a mathematical model for the impeller load of fluid coupling, establishes a whole finite element model for the impeller of a fluid coupling strength analysis. It designs a test bench for strength of the model impeller, uses strain gauges to measure the certain place strength of the pump blade. The results indicate that calculation data agrees with experimental data. This provides a basis for the product series design and strength analysis.

Fluid Coupling; Impeller; FEA; Stress Test; Experimental Verification

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.006

2014-08-12

李岳峰(1981—)，男，辽宁大连人，中国船舶重工集团公司第七一一研究所工程师，主要研究方向为船舶动力传动装置。

TH137.331

A

2095-509X(2014)09-0023-04