黃靜莉

（上海微電子裝備有限公司，上海 201203）

基于液力耦合器泵輪的有限元分析

黃靜莉

（上海微電子裝備有限公司，上海 201203）

隨著工業(yè)生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，液力耦合器因其顯著的節(jié)能優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注。其中，液力耦合器工作輪的靜應(yīng)力分析及計(jì)算對液力耦合器的最優(yōu)化應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。論文以液力耦合器的工作輪為研究對象，對泵輪、渦輪及轉(zhuǎn)動(dòng)外殼的幾何模型進(jìn)行了有限元分析。通過分析得出，離心力對葉片根部的應(yīng)力影響約占最大工況時(shí)應(yīng)力的50%左右。

泵輪；應(yīng)力；有限元分析

0 引言

液力耦合器是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性聯(lián)軸器，又稱液力聯(lián)軸器。通過泵輪和渦輪之間不斷循環(huán)的液體與泵輪、渦輪的相互作用而傳遞扭矩。動(dòng)力由安裝著泵輪的軸輸入，至安裝著渦輪的軸輸出，輸入軸與輸出軸之間依靠液體進(jìn)行聯(lián)系。本文以液力耦合器的泵輪為研究對象，采用有限元分析方法，完成了泵輪的靜應(yīng)力分析及計(jì)算。

1 泵輪幾何模型

本文通過Pro/E完成了泵輪的建模，如圖1所示。泵輪材料采用合金鋼，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 泵輪有限元網(wǎng)格劃分

本文使用DS完成網(wǎng)格劃分工作，網(wǎng)格形式選擇自由網(wǎng)格，單元類型采用10-節(jié)點(diǎn)四面體單元（SOLID187），并采用體總體網(wǎng)格尺寸控制，單元尺寸為1e-2m，網(wǎng)格模型見圖2。

圖1 泵輪

表1 泵輪材料的技術(shù)參數(shù)

圖2 泵輪網(wǎng)格模型

在網(wǎng)格控制下，泵輪的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為：101972單元、199284節(jié)點(diǎn)。

3 加載

液力耦合器在額定工況下，所受的荷載是穩(wěn)定的，作為靜荷載處理。工作液體對工作輪的壓力相對復(fù)雜，可以做如下簡化：

（1）泵輪-渦輪之間型腔內(nèi)為二元流動(dòng)，工作液體隨葉輪做等速旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生的對工作輪的面荷載為：

式中：ρ—工作液體密度；ω—葉輪旋轉(zhuǎn)角速度；p0—已知點(diǎn)的液壓；r0—已知點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑；r—計(jì)算點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑。

（2）工作液體在泵輪-渦輪型腔內(nèi)做循環(huán)流動(dòng)，由此產(chǎn)生的對工作輪的面荷載為：

式中：Q—工作液體在型腔內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的流量；rx—型腔曲率半徑。由于工作液體在型腔內(nèi)的流動(dòng)是上述兩種運(yùn)動(dòng)的合成，因此對壁面的合成作用力為：

式中：φY—葉片荷載系數(shù)，取1.2；T—耦合器傳遞的轉(zhuǎn)矩；z—葉輪葉片數(shù)；RY—頁面形心回轉(zhuǎn)半徑；A—頁面面積；α—葉片傾角。

采用最大功率和最大轉(zhuǎn)速以解算最惡劣工況，完成泵輪的載荷計(jì)算：

（1）設(shè)定旋轉(zhuǎn)角速度施加慣性荷載，旋轉(zhuǎn)角速度為152.37rad/s。

（2）泵輪輸入軸孔附件兩側(cè)面區(qū)域作為固定端，施加三維約束。

（3）泵輪型腔內(nèi)壁受液體壓力，按照式（3）施加變量荷載，帶入?yún)?shù)即：

（4）泵輪葉片表面受液體壓力，按照式（4）施加均布荷載，帶入?yún)?shù)即76023.2Pa。

（5）泵輪外壁受液體壓力，按照式（1）施加變量荷載，帶入?yún)?shù)即：

以上公式涉及的參數(shù)取值如下：

表2 為匯總模型的載荷。

4 泵輪計(jì)算結(jié)果

圖3 為泵輪在液體壓力載荷和自身慣性力作用時(shí)的有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，最大等效應(yīng)力為64.8MPa，出現(xiàn)在葉片內(nèi)圈根部，見圖3（c）。此外葉片外圈根部的應(yīng)力也比較大，達(dá)到60.6MPa，見圖3（d），葉片與渦輪盤連接處的中間位置也較大，在57～64MPa的范圍左右。

圖4 為泵輪在離心力單獨(dú)作用時(shí)的有限元強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，最大等效應(yīng)力為43.69MPa，出現(xiàn)在約束位置的根部，見圖4（a）；葉片內(nèi)圈根部的最大壓力為30MPa，見圖4（b）。

圖3 泵輪等效應(yīng)力圖

圖4 離心力作用下泵輪等效應(yīng)力圖

5 總結(jié)

通過有限元分析可知，泵輪對葉片根部的應(yīng)力影響較大，約占了最大工況應(yīng)力的50%左右，同時(shí)通過有限元分析，再現(xiàn)了液力耦合器工作時(shí)的受力分布圖。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員可以將此結(jié)論作為可能的設(shè)計(jì)理論依據(jù)，盡量減少工作輪葉片根部的應(yīng)力，避免疲勞斷裂。

Finite Element Analysis of Fluid Coupling on the Pump Wheel

HUANG Jing-Li
（Shanghai Micro Electronics Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201203,China）

With the development of industrial production and the national economy,hydraulic coupling its significant energy advantages is more and more attention.Among them,the static stress analysis and calculation of working wheel hydraulic coupling of hydraulic coupling optimization application has a vital role.In this paper,coupling of job rotation as the research object,the pump wheel,turbine and rotating shell geometry finite element analysis.By analyzing the results,the effect of centrifugal stress blade root accounts for about 50%of the maximum stress conditions.

pump wheel；stress；finite element analysis

TP317

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.035

1002－6673（2014）03－088－02

2014－04－18

黃靜莉（1961-），女，本科，高級工程師。已從事機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)工作近31年。在機(jī)床設(shè)計(jì)及精密機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)作品多次獲得各類獎(jiǎng)項(xiàng)。