基于液力耦合器泵轮的有限元分析

黄静莉

（上海微电子装备有限公司，上海 201203）

基于液力耦合器泵轮的有限元分析

黄静莉

（上海微电子装备有限公司，上海 201203）

随着工业生产及国民经济的不断发展，液力耦合器因其显著的节能优势受到越来越多的关注。其中，液力耦合器工作轮的静应力分析及计算对液力耦合器的最优化应用有着至关重要的作用。论文以液力耦合器的工作轮为研究对象，对泵轮、涡轮及转动外壳的几何模型进行了有限元分析。通过分析得出，离心力对叶片根部的应力影响约占最大工况时应力的50%左右。

泵轮；应力；有限元分析

0 引言

液力耦合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。通过泵轮和涡轮之间不断循环的液体与泵轮、涡轮的相互作用而传递扭矩。动力由安装着泵轮的轴输入，至安装着涡轮的轴输出，输入轴与输出轴之间依靠液体进行联系。本文以液力耦合器的泵轮为研究对象，采用有限元分析方法，完成了泵轮的静应力分析及计算。

1 泵轮几何模型

本文通过Pro/E完成了泵轮的建模，如图1所示。泵轮材料采用合金钢，主要技术参数见表1。

2 泵轮有限元网格划分

本文使用DS完成网格划分工作，网格形式选择自由网格，单元类型采用10-节点四面体单元（SOLID187），并采用体总体网格尺寸控制，单元尺寸为1e-2m，网格模型见图2。

图1 泵轮

表1 泵轮材料的技术参数

图2 泵轮网格模型

在网格控制下，泵轮的节点数量为：101972单元、199284节点。

3 加载

液力耦合器在额定工况下，所受的荷载是稳定的，作为静荷载处理。工作液体对工作轮的压力相对复杂，可以做如下简化：

（1）泵轮-涡轮之间型腔内为二元流动，工作液体随叶轮做等速旋转，由此产生的对工作轮的面荷载为：

式中：ρ—工作液体密度；ω—叶轮旋转角速度；p0—已知点的液压；r0—已知点的旋转半径；r—计算点的旋转半径。

（2）工作液体在泵轮-涡轮型腔内做循环流动，由此产生的对工作轮的面荷载为：

式中：Q—工作液体在型腔内循环流动的流量；rx—型腔曲率半径。由于工作液体在型腔内的流动是上述两种运动的合成，因此对壁面的合成作用力为：

式中：φY—叶片荷载系数，取1.2；T—耦合器传递的转矩；z—叶轮叶片数；RY—页面形心回转半径；A—页面面积；α—叶片倾角。

采用最大功率和最大转速以解算最恶劣工况，完成泵轮的载荷计算：

（1）设定旋转角速度施加惯性荷载，旋转角速度为152.37rad/s。

（2）泵轮输入轴孔附件两侧面区域作为固定端，施加三维约束。

（3）泵轮型腔内壁受液体压力，按照式（3）施加变量荷载，带入参数即：

（4）泵轮叶片表面受液体压力，按照式（4）施加均布荷载，带入参数即76023.2Pa。

（5）泵轮外壁受液体压力，按照式（1）施加变量荷载，带入参数即：

以上公式涉及的参数取值如下：

表2 为汇总模型的载荷。

4 泵轮计算结果

图3 为泵轮在液体压力载荷和自身惯性力作用时的有限元强度计算结果，最大等效应力为64.8MPa，出现在叶片内圈根部，见图3（c）。此外叶片外圈根部的应力也比较大，达到60.6MPa，见图3（d），叶片与涡轮盘连接处的中间位置也较大，在57～64MPa的范围左右。

图4 为泵轮在离心力单独作用时的有限元强度计算结果，最大等效应力为43.69MPa，出现在约束位置的根部，见图4（a）；叶片内圈根部的最大压力为30MPa，见图4（b）。

图3 泵轮等效应力图

图4 离心力作用下泵轮等效应力图

5 总结

通过有限元分析可知，泵轮对叶片根部的应力影响较大，约占了最大工况应力的50%左右，同时通过有限元分析，再现了液力耦合器工作时的受力分布图。因此，在实际的设计工作中，相关的设计人员可以将此结论作为可能的设计理论依据，尽量减少工作轮叶片根部的应力，避免疲劳断裂。

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

黄静莉（1961-），女，本科，高级工程师。已从事机械设计相关工作近31年。在机床设计及精密机械设计领域有着丰富的经验，设计作品多次获得各类奖项。