液力谐波减速器波发生器流体特性研究

李国康，吕小乔

液力谐波减速器波发生器流体特性研究

李国康，吕小乔

(沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159)

为探索液力式谐波减速器中波发生器内流体运动及动力特性，本文利用Solidworks、Star ccm+等CAE软件建立了流体模型并对其进行了流体特性仿真研究，得出了波发生器喷嘴出口压力、出口速度与输入压力、输入流量，输入转速之间的关系，仿真结果有助于液力谐波减速器液压系统的设计和液力谐波减速器的应用。

谐波减速器；波发生器；流体特性；仿真

齿轮谐波减速器结构紧凑、体积小、传动比大，其波发生器为薄壁椭圆轴承式，这种波发生器轴承外环可柔性变形，通过长短轴角度的连续变化交变作用于柔轮，带动柔轮旋转。这种减速器结构复杂，薄壁轴承受交变载荷作用，元件易疲劳，影响使用寿命和传递功率的提高，设计难度较高[1]。而液力式波发生器则是利用液动力作用于柔轮，使柔轮发生长短轴变形，它是一种非机械接触式的动力传递，因此可避免波发生器疲劳损失现象发生，同时具有结构简单、设计方便、加工成本低等优点。因此，研究其运动及动力特性对于更好地设计和提高液力式谐波减速器的性能很有意义。

1 液力式波发生器工作原理[2]

图1是液力式波发生器结构示意图，发生器主体内开有对称分布的两个梯形槽，每个梯形槽外端开有3个径向螺纹孔，螺纹孔内可旋入喷嘴，更换不同口径的喷嘴就可调整喷嘴的输出流量及流体液动力。

图1 液力式波发生器结构示意图

液力式波发生器工作原理示意图如图2所示。图2中钢轮固定，液力式波发生器与输入轴通过键连接实现旋转，液体经轴向通道进入波发生器的梯形槽和径向对称分布的喷嘴形成射流，产生的动能和压力能作用于柔轮，使其产生弹性变形并与刚轮啮合。随着输入轴的旋转，在液力式波发生器液动力的不断作用下，柔轮长轴的位置和角度随之变化，从而实现柔轮的连续运动，完成动力输出。

图2 液力式波发生器运动关系示意图

2 液力式波发生器中流体仿真建模

液力式波发生器工作时，由于与输入轴中流体已融为一体，因此研究其流体特性就要包括输入轴中的腔体流体，如图3所示。

图3 腔体示意图

2.1 建立三维仿真模型

应用Solidworks三维软件，根据输入轴及波发生器中流体流过的腔体形状及尺寸建立三维仿真模型，如图4所示。

图4 腔体三维模型

2.2 设置模型参数[3]

基于Star ccm+仿真软件，设置步骤如下:

1)进入Star ccm+软件界面，输入液流腔体的三维仿真模型；

2)网格划分:在Continua/Mesh选择Polyhedral多面体的体网格，并进行Prism layer的边界层网格划分，再进行Surface Remesher精细网格调整，共计生成8802个面网格，得到网格模型如图5所示；

图5 腔体网格划分

3)设置模型材料:在物理属性设置界面，选择k-e模式，并添加新材料液压油L-HM46(抗磨液压油)，其动力粘度μ=0.0399134Pa/s、密度ρ=872.3kg/m3(其中，运动粘度v=45.8×10-6m2/s)；

4)设定初始条件:在Simulation树种里选择Region区域，添加Region1,定义入口inlet为压力入口，6个喷嘴为出口outlet,其他区域为qt；

5)设定坐标系:在浏览器面板explore plane里，选择工具选项Tools，并选择Coordinate Systems/Laboratory选项，本次仿真采用的是笛卡尔坐标系；

6)定义输入轴转速:在浏览器面板explore plane里，选择工具选项Tools，并选择Reference Frames/New/Rotating,将会产生一个新的Rotating；

7)定义腔体旋转:在浏览面板的区域运动属性中定义Reference Frame=Rotating，即可定义整个腔体绕输入轴轴线的旋转运动。

3 波发生器流体特性仿真分析

仿真分别以输入端压力变化、输入端流量变化、输入端转速变化为条件，研究了喷嘴出口压力及喷嘴出口速度的变化情况，得到一系列如图6所示的压力云图和如图7所示的速度云图，通过云图分析即可得出表1、表2、表3对应的研究数据。表中:Pi为输入端入口压力，MPa；Po为喷嘴出口压力，MPa；Q为输入端质量流量，kg/s；ni为输入轴转速，r/min；v为喷嘴出口速度，m/s。

图6 压力云图

图7 速度云图

3.1 输入压力的影响

仿真结果如表1所示。表1中，Q=0.75 kg/s，ni=1500r/min。由此可知，当输入转速和输入流量一定时，输入端压力增大，则喷嘴出口压力也增大，二者基本为线性关系，而喷嘴出口速度无变化，关系曲线如图8、图9所示。

表1 输入压力的影响

图8 出口压力变化

图9 出口速度变化

3.2 输入流量的影响

仿真结果如表2所示。表2中，Pi=13 MPa，ni=1500r/min。由此可知，当输入压力和输入转速一定时，输入流量增大，喷嘴出口压力、喷嘴出口流速都随之增大，二者呈抛物线关系，对应的曲线如图10、图11所示。

表2 输入流量的影响

图10 出口压力变化

图11 出口速度变化

3.3 输入转速的影响

仿真结果如表3所示。表3中，Pi=13MPa，Q=0.75kg/s。由此可知，当输入压力和输入流量一定时，输入转速从1000r/min增大到3000r/min时，喷嘴出口压力和出口速度也随之大，二者呈线性关系，对应的关系如图12、图13所示。

表3 输入转速的影响

图12 出口压力变化

图13 出口速度变化

4 结论

(1)压力云图显示，输入轴入口到喷嘴出口流体压力无明显变化，只在喷嘴部分变化较大；速度云图亦显示出同样结果，整个流场无涡流形成，说明波发生器结构设计是合理的。

(2)流体的喷嘴出口速度和喷嘴出口压力均高于入口的数值，说明喷嘴出口液压能高于入口液压能，这是输入轴旋转产生的机械能部分地转化为液压能。但转换比不是一个常数，要受很多因素影响，其转换规律有待于进一步研究。

[1]仲梁维,曾晓菁,邹绪平.谐波齿轮传动CAD系统研究[J].上海理工大学学报,2002，24(2):149-152.

[2]李国康,公涛,吕小乔.液力式谐波减速器柔轮液动力仿真研究[J].沈阳理工大学学报,2014,33(5):66-69.

[3]周俊波,刘洋.FLUENT6.3流场分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社，2012.

(责任编辑:王子君)

Study on Fluid Characteristics of Wave Generator on Hydraulic Harmonic Reducer

LI Guokang,LV Xiaoqiao

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The fluid model of wave generator on hydraulic harmonic reducer is established and simulated by Solidworks and Star ccm+software for exploring the fluid movement and power characteristics.The corresponding relations of the outlet pressure and the outlet velocity with the input pressure and the input flow quantity and the input revolving speed are obtained.The simulation results are helpful for hydraulic system design and application of the hydraulic harmonic reducer.

harmonic reducer;wave generator;fluid characteristics;simulation

2015-12-08

李国康(1960—)，男，教授，研究方向:液压传动及控制。

1003-1251(2017)01-0042-04

TH132.43

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