基于ANSYS的液粘摩擦偶合器关键部件强度特性分析

宋慧　王刚　钟佩思　宋爱利

【摘 要】摩擦耦合器在机械传动领域中有着重要的应用，液粘摩擦耦合器作为典型的湿摩擦传动设备，其关键部件的强度特性对于整个摩擦耦合器的可靠性和使用寿命均有着关键的影响。基于有限元软件ANSYS对泵轮和扇区的应力场和变形场进行计算，得出不同载荷下的响应特性，对于摩擦耦合器的优化设计提供依据。

【关键词】液粘摩擦耦合器；应力场；有限元；强度

中图分类号： TP249 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0025-003

0 引言

摩擦耦合器是一种新型的机械传动装备[1]，包括干摩擦和湿摩擦两种类型。液粘摩擦耦合器作为典型的湿摩擦设备，主要通过液态传动介质的粘性实现摩擦传动。当输入转速被限定时，其输出特性可通过内腔的油压实现控制要求，比如转速、转矩等[2]。液粘摩擦耦合器具有传动平稳、无级变速、无刚性冲击等优点，因此在大型设备传动中有着良好的应用效果[3]。

由于传动功率较大，液粘摩擦耦合器内部构件将承受巨大的载荷，关键部件在载荷作用下发生一定的形变量。若内部构件承受的应力超过了许用范围，则将对耦合器产生一定的损伤。若长期处于这种工作状态，会大大降低设备的使用寿命。随着现代工业的发展，大型机械设备的普及率越来越高，要求适应于各种恶劣环境，因此极限功率也越来越高，对于液粘摩擦耦合器内部关键部件的强度分析非常有必要。文中基于有限元方法[4]，采用ANSYS软件实现液粘耦合器内部关键部件的应力场和变形场计算，对于后期摩擦耦合器的优化设计提供重要依据。

1 有限元模型的建立

1.1 模型构建

有限元模型在构建时需要匹配真实模型，但是又要考虑计算工作量。一般情况下，需要将关键结构位置保持精确的形状和尺寸，一些对计算结果影响较小的倒角等结构可以忽略和简化，实现计算精度和计算效率的协调性安排。在网格划分方面，网格尺寸和类型的合理性直接决定了计算结果的可靠性。在有限元软件ANSYS中，提供了不同节点特性的单元类型可供选择，但是为了保证网格的精细程度，降低网格畸变程度，文中基于ICEM进行网格划分，最终得出耦合器中泵体的网格划分结果如图1所示。ICEM目前已集成于ANSYS中，能够通过指令调取和导入网格模型，根据块的划分得出理想的六面体网格模型，相比同等数量的四面体网格，计算效率更高。

1.2 边界条件设置

根据液粘摩擦耦合器的工作原理可知，泵体腔内不同的充液率将出现不同的摩擦载荷。因此，文中分别对油液35%、75%和完全充满载荷条件下的泵体强度进行分析。在边界条件设置方面，充分考虑油液的离心力作用，根据实际工程中的经验法施加载荷值。

在自由度约束设置方面，由于液粘摩擦耦合器的泵轮与泵轮轴连接在叶轮中心位置处，因此需要将此次设置为圆柱类型约束，即泵体中的叶轮能够绕Z轴转动。为了便于设置，需要建立圆柱坐标系，完成径向和周向约束的施加[5]，模拟过盈配合状态。

2 结果分析

2.1 油液35%载荷条件

在该载荷条件下，最终可得出稳态条件下泵体的整体应力场如图2（a）所示，同时，为了利于查看细节，取出单独叶片扇区模型，其应力场如图2（b）所示。从图2中可以看出：当输入轴以额定转速运行时，整个泵轮沿着径向方向受到拉伸作用，随着最大应力位于外径根部和叶片中心位置，未表现出明显的应力集中现象。

（a）泵体应力云图

（b）单独叶片扇区应力云图

（a）泵体变形云图

（b）单独叶片扇区变形云图

稳态条件下泵体的整体变形场如图3（a）所示，单独叶片扇区变形场如图3（b）所示。图3中可以看出：最大变形位于泵体的外边缘区域，在离心力作用下，表现出明显的线性增大。

2.2 油液75%载荷条件

在油液载荷为75%条件下，泵体的整体应力场如图4（a）所示，单独叶片扇区应力场如图4（b）所示。图4中可以看出：相比于35%载荷条件，该条件下的最大应力值达到了355Mpa，显著提升；出现了一定的应力集中现象，位置位于叶片内径根部；外径端部位置也出现了一定的应力分布不均现象。这是由于在较大液粘摩擦力作用下，叶片作为主要承载面承受较大的压力载荷，但非工作面承受拉力载荷。

（a）泵体应力云图

（b）单独叶片扇区应力云图

该载荷条件下泵体的整体变形場如图5（a）所示，单独叶片扇区变形场如图5（b）所示。图5中可以看出：泵轮的变形特性与35%载荷条件同样有着显著的不同，最大变形位置出现在叶片中心位置，并非小载荷条件下的外径端面；最大变形量达到了0.17mm。根据液粘摩擦耦合器的工作原理可知，为了降低泵轮端面的变形量，一般采用开螺栓孔的方式直接将泵体固定。当泵轮高速旋转时，液粘离心力转化叶片的摩擦力，使得叶片的变形场出现等值变形环状条状态。由此可见，从变形量主因素影响大小上分析，油压的压力在叶片的变形上起到主要影响作用。

（a）泵体变形云图

（b）单独叶片扇区变形云图

2.3 完全油液载荷条件

在极限载荷条件下，即完全油液载荷状态时，可得出泵体的整体应力场如图6（a）所示，单独叶片扇区应力场如图6（b）所示。图6中可以看出：该条件下同样具有应力集中现象，在巨大的油液冲击作用下，位于叶片外径和内径根部位置，最大应力值达到1710MPa；对于非工作平面，应力云图出现了漩涡现象，这是由于油液流体离心力的作用，使较大应力出现在了距离叶片中心处的小部分区域。

（a）泵体应力云图

（b）单独叶片扇区应力云图

该载荷条件下泵体的整体变形场如图7（a）所示，单独叶片扇区变形场如图7（b）所示。图7中可以看出：由于载荷较大，叶片上的最大变形量达到1.38mm；从整体上看，由于油液充满整个内腔，随着主轴转动，泵体的边界条件类似于简支梁，在弯矩作用下，最大变形位置位于叶片的中心位置。

（a）泵体变形云图

（b）单独叶片扇区变形云图

3 结语

在本文所研究的液粘摩擦耦合器关键部件强度分析方案中，主要基于有限元方法实现不同工况下的强度计算。不同载荷条件下的应力场和变形场特性有着显著的差别，可为工作条件的优化控制提供重要的依据，并为液粘摩擦耦合器的空结构设计提供思路和方法。

【参考文献】

[1]李亚辉，付转，刘媛荣，等.福伊特液力耦合器与液黏软启动装置的分析比较[J].煤矿机械，2012，33（3）：146-148.

[2]崔希海，陈付坤，任建鹏.正反馈端面摩擦耦合器的研发[J]. 煤矿机械，2013，34（4）：12-17.

[3]崔希海，郭鹏鹏，胡凯，等.摩擦耦合器带载启动过程动力学模型建立[J].煤矿机械，2011，32（2）：44-46.

[4]高圆，于岩，张钊，等.液粘软启动装置摩擦片的有限元分析[J].起重运输机械，2016（7）：60-63.

[5]杨前明，高洁，庄宿涛，等.液体黏性调速离合器主动轴的有限元分析[J].煤矿机械，2009，30（4）：80-82.