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近年來(lái)，液力耦合器廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、發(fā)電、水泥、化工、紡織、船舶等行業(yè)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并有大型化的趨勢(shì)。我們最近設(shè)計(jì)的某液力耦合器傳遞的功率為5702kW，轉(zhuǎn)速為1084r/min，其外緣的線(xiàn)速度高達(dá)81.73m/s，工作輪承受很大的離心力和油壓力，因此強(qiáng)度問(wèn)題是大功率高轉(zhuǎn)速液力耦合器的關(guān)鍵問(wèn)題。
以前受到軟硬件條件的限制，對(duì)耦合器葉輪的強(qiáng)度有限元分析長(zhǎng)期停留在二維有限元的層次上，三維分析僅嘗試過(guò)四分之一輪，邊界條件設(shè)置困難，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性不高。本文在流體力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，對(duì)液力耦合器葉輪進(jìn)行了三維整體有限元分析計(jì)算，最后得到葉輪的應(yīng)力分布情況，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下為液力耦合器的設(shè)計(jì)、制造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。
(1)幾何模型耦合器的葉輪包括泵輪和渦輪，他們?cè)诠ぷ鲿r(shí)，泵輪負(fù)荷始終大于渦輪(泵輪轉(zhuǎn)速、功率均大于渦輪)，而且渦輪由于輪壁內(nèi)外工作液體產(chǎn)生的壓力互相抵消，受力較小，因此，在材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，可只對(duì)泵輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。泵輪的三維實(shí)體模型如圖1所示。
(2)主要參數(shù)泵輪有效直徑：1287mm泵輪葉片數(shù)：23片斜葉片。
(3)有限元模型。
為了對(duì)泵輪進(jìn)行比較精確的強(qiáng)度計(jì)算，取整個(gè)泵輪作為研究對(duì)象，采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元SOLID92進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度(x，y，z方向上的位移)，利用ANSYS提供的自由網(wǎng)格劃分工具，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，生成可靠的高質(zhì)量的實(shí)體單元，如圖2所示。
對(duì)邊界約束條件的處理如下：如圖3所示，對(duì)面1、面3分別施加X(jué)兩個(gè)方向的位移約束，對(duì)面2施加YZ兩個(gè)方向的位移約束，這樣整個(gè)的邊界條件處理可大致相當(dāng)于實(shí)際情況下的工況。
耦合器在高速轉(zhuǎn)動(dòng)工作時(shí)，在泵輪上主要是承受四個(gè)方面的作用力。如圖4所示，一是金屬材料在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力Pv，二是工作液體對(duì)型腔內(nèi)壁的壓力Px，三是工作液體對(duì)葉片的作用力Py，四是轉(zhuǎn)動(dòng)外殼對(duì)泵輪的作用力Pz，這些由傳統(tǒng)的動(dòng)力計(jì)算得到。
1)軟件中的加載選項(xiàng)可以施加慣性載荷Pv，我們可以通過(guò)定義材料密度和旋轉(zhuǎn)加速度來(lái)加載慣性載荷Pv；
2)工作液體對(duì)型腔內(nèi)壁的壓力Px；
3)工作液體對(duì)葉片的作用力Py；
4)轉(zhuǎn)動(dòng)外殼對(duì)泵輪的作用力Pz首先對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)外殼進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得到轉(zhuǎn)動(dòng)外殼與泵輪連接處的應(yīng)力數(shù)值，此數(shù)值即為轉(zhuǎn)動(dòng)外殼對(duì)泵輪的壓力Pz。在軟件中對(duì)有限元模型可以施加面載荷、慣性載荷和約束。
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