李國康，呂小喬

液力諧波減速器波發(fā)生器流體特性研究

李國康，呂小喬

(沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110159)

為探索液力式諧波減速器中波發(fā)生器內(nèi)流體運動及動力特性，本文利用Solidworks、Star ccm+等CAE軟件建立了流體模型并對其進行了流體特性仿真研究，得出了波發(fā)生器噴嘴出口壓力、出口速度與輸入壓力、輸入流量，輸入轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，仿真結(jié)果有助于液力諧波減速器液壓系統(tǒng)的設(shè)計和液力諧波減速器的應(yīng)用。

諧波減速器；波發(fā)生器；流體特性；仿真

齒輪諧波減速器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動比大，其波發(fā)生器為薄壁橢圓軸承式，這種波發(fā)生器軸承外環(huán)可柔性變形，通過長短軸角度的連續(xù)變化交變作用于柔輪，帶動柔輪旋轉(zhuǎn)。這種減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄壁軸承受交變載荷作用，元件易疲勞，影響使用壽命和傳遞功率的提高，設(shè)計難度較高[1]。而液力式波發(fā)生器則是利用液動力作用于柔輪，使柔輪發(fā)生長短軸變形，它是一種非機械接觸式的動力傳遞，因此可避免波發(fā)生器疲勞損失現(xiàn)象發(fā)生，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便、加工成本低等優(yōu)點。因此，研究其運動及動力特性對于更好地設(shè)計和提高液力式諧波減速器的性能很有意義。

1 液力式波發(fā)生器工作原理[2]

圖1是液力式波發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)生器主體內(nèi)開有對稱分布的兩個梯形槽，每個梯形槽外端開有3個徑向螺紋孔，螺紋孔內(nèi)可旋入噴嘴，更換不同口徑的噴嘴就可調(diào)整噴嘴的輸出流量及流體液動力。

圖1 液力式波發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

液力式波發(fā)生器工作原理示意圖如圖2所示。圖2中鋼輪固定，液力式波發(fā)生器與輸入軸通過鍵連接實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，液體經(jīng)軸向通道進入波發(fā)生器的梯形槽和徑向?qū)ΨQ分布的噴嘴形成射流，產(chǎn)生的動能和壓力能作用于柔輪，使其產(chǎn)生彈性變形并與剛輪嚙合。隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，在液力式波發(fā)生器液動力的不斷作用下，柔輪長軸的位置和角度隨之變化，從而實現(xiàn)柔輪的連續(xù)運動，完成動力輸出。

圖2 液力式波發(fā)生器運動關(guān)系示意圖

2 液力式波發(fā)生器中流體仿真建模

液力式波發(fā)生器工作時，由于與輸入軸中流體已融為一體，因此研究其流體特性就要包括輸入軸中的腔體流體，如圖3所示。

圖3 腔體示意圖

2.1 建立三維仿真模型

應(yīng)用Solidworks三維軟件，根據(jù)輸入軸及波發(fā)生器中流體流過的腔體形狀及尺寸建立三維仿真模型，如圖4所示。

圖4 腔體三維模型

2.2 設(shè)置模型參數(shù)[3]

基于Star ccm+仿真軟件，設(shè)置步驟如下:

1)進入Star ccm+軟件界面，輸入液流腔體的三維仿真模型；

2)網(wǎng)格劃分:在Continua/Mesh選擇Polyhedral多面體的體網(wǎng)格，并進行Prism layer的邊界層網(wǎng)格劃分，再進行Surface Remesher精細(xì)網(wǎng)格調(diào)整，共計生成8802個面網(wǎng)格，得到網(wǎng)格模型如圖5所示；

圖5 腔體網(wǎng)格劃分

3)設(shè)置模型材料:在物理屬性設(shè)置界面，選擇k-e模式，并添加新材料液壓油L-HM46(抗磨液壓油)，其動力粘度μ=0.0399134Pa/s、密度ρ=872.3kg/m3(其中，運動粘度v=45.8×10-6m2/s)；

4)設(shè)定初始條件:在Simulation樹種里選擇Region區(qū)域，添加Region1,定義入口inlet為壓力入口，6個噴嘴為出口outlet,其他區(qū)域為qt；

5)設(shè)定坐標(biāo)系:在瀏覽器面板explore plane里，選擇工具選項Tools，并選擇Coordinate Systems/Laboratory選項，本次仿真采用的是笛卡爾坐標(biāo)系；

6)定義輸入軸轉(zhuǎn)速:在瀏覽器面板explore plane里，選擇工具選項Tools，并選擇Reference Frames/New/Rotating,將會產(chǎn)生一個新的Rotating；

7)定義腔體旋轉(zhuǎn):在瀏覽面板的區(qū)域運動屬性中定義Reference Frame=Rotating，即可定義整個腔體繞輸入軸軸線的旋轉(zhuǎn)運動。

3 波發(fā)生器流體特性仿真分析

仿真分別以輸入端壓力變化、輸入端流量變化、輸入端轉(zhuǎn)速變化為條件，研究了噴嘴出口壓力及噴嘴出口速度的變化情況，得到一系列如圖6所示的壓力云圖和如圖7所示的速度云圖，通過云圖分析即可得出表1、表2、表3對應(yīng)的研究數(shù)據(jù)。表中:Pi為輸入端入口壓力，MPa；Po為噴嘴出口壓力，MPa；Q為輸入端質(zhì)量流量，kg/s；ni為輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min；v為噴嘴出口速度，m/s。

圖6 壓力云圖

圖7 速度云圖

3.1 輸入壓力的影響

仿真結(jié)果如表1所示。表1中，Q=0.75 kg/s，ni=1500r/min。由此可知，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速和輸入流量一定時，輸入端壓力增大，則噴嘴出口壓力也增大，二者基本為線性關(guān)系，而噴嘴出口速度無變化，關(guān)系曲線如圖8、圖9所示。

表1 輸入壓力的影響

圖8 出口壓力變化

圖9 出口速度變化

3.2 輸入流量的影響

仿真結(jié)果如表2所示。表2中，Pi=13 MPa，ni=1500r/min。由此可知，當(dāng)輸入壓力和輸入轉(zhuǎn)速一定時，輸入流量增大，噴嘴出口壓力、噴嘴出口流速都隨之增大，二者呈拋物線關(guān)系，對應(yīng)的曲線如圖10、圖11所示。

表2 輸入流量的影響

圖10 出口壓力變化

圖11 出口速度變化

3.3 輸入轉(zhuǎn)速的影響

仿真結(jié)果如表3所示。表3中，Pi=13MPa，Q=0.75kg/s。由此可知，當(dāng)輸入壓力和輸入流量一定時，輸入轉(zhuǎn)速從1000r/min增大到3000r/min時，噴嘴出口壓力和出口速度也隨之大，二者呈線性關(guān)系，對應(yīng)的關(guān)系如圖12、圖13所示。

表3 輸入轉(zhuǎn)速的影響

圖12 出口壓力變化

圖13 出口速度變化

4 結(jié)論

(1)壓力云圖顯示，輸入軸入口到噴嘴出口流體壓力無明顯變化，只在噴嘴部分變化較大；速度云圖亦顯示出同樣結(jié)果，整個流場無渦流形成，說明波發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。

(2)流體的噴嘴出口速度和噴嘴出口壓力均高于入口的數(shù)值，說明噴嘴出口液壓能高于入口液壓能，這是輸入軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械能部分地轉(zhuǎn)化為液壓能。但轉(zhuǎn)換比不是一個常數(shù)，要受很多因素影響，其轉(zhuǎn)換規(guī)律有待于進一步研究。

[1]仲梁維,曾曉菁,鄒緒平.諧波齒輪傳動CAD系統(tǒng)研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2002，24(2):149-152.

[2]李國康,公濤,呂小喬.液力式諧波減速器柔輪液動力仿真研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報,2014,33(5):66-69.

[3]周俊波,劉洋.FLUENT6.3流場分析從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社，2012.

(責(zé)任編輯: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

李國康(1960—)，男，教授，研究方向:液壓傳動及控制。

1003-1251(2017)01-0042-04

TH132.43

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