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      基于ANSYS的液粘摩擦偶合器關(guān)鍵部件強(qiáng)度特性分析

      2018-06-08 10:03:40宋慧王剛鐘佩思宋愛(ài)利
      科技視界 2018年8期
      關(guān)鍵詞:應(yīng)力場(chǎng)有限元強(qiáng)度

      宋慧 王剛 鐘佩思 宋愛(ài)利

      【摘 要】摩擦耦合器在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用,液粘摩擦耦合器作為典型的濕摩擦傳動(dòng)設(shè)備,其關(guān)鍵部件的強(qiáng)度特性對(duì)于整個(gè)摩擦耦合器的可靠性和使用壽命均有著關(guān)鍵的影響?;谟邢拊浖嗀NSYS對(duì)泵輪和扇區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,得出不同載荷下的響應(yīng)特性,對(duì)于摩擦耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

      【關(guān)鍵詞】液粘摩擦耦合器;應(yīng)力場(chǎng);有限元;強(qiáng)度

      中圖分類號(hào): TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095-2457(2018)08-0025-003

      0 引言

      摩擦耦合器是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)裝備[1],包括干摩擦和濕摩擦兩種類型。液粘摩擦耦合器作為典型的濕摩擦設(shè)備,主要通過(guò)液態(tài)傳動(dòng)介質(zhì)的粘性實(shí)現(xiàn)摩擦傳動(dòng)。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速被限定時(shí),其輸出特性可通過(guò)內(nèi)腔的油壓實(shí)現(xiàn)控制要求,比如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等[2]。液粘摩擦耦合器具有傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)級(jí)變速、無(wú)剛性沖擊等優(yōu)點(diǎn),因此在大型設(shè)備傳動(dòng)中有著良好的應(yīng)用效果[3]。

      由于傳動(dòng)功率較大,液粘摩擦耦合器內(nèi)部構(gòu)件將承受巨大的載荷,關(guān)鍵部件在載荷作用下發(fā)生一定的形變量。若內(nèi)部構(gòu)件承受的應(yīng)力超過(guò)了許用范圍,則將對(duì)耦合器產(chǎn)生一定的損傷。若長(zhǎng)期處于這種工作狀態(tài),會(huì)大大降低設(shè)備的使用壽命。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,大型機(jī)械設(shè)備的普及率越來(lái)越高,要求適應(yīng)于各種惡劣環(huán)境,因此極限功率也越來(lái)越高,對(duì)于液粘摩擦耦合器內(nèi)部關(guān)鍵部件的強(qiáng)度分析非常有必要。文中基于有限元方法[4],采用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)液粘耦合器內(nèi)部關(guān)鍵部件的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)計(jì)算,對(duì)于后期摩擦耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

      1 有限元模型的建立

      1.1 模型構(gòu)建

      有限元模型在構(gòu)建時(shí)需要匹配真實(shí)模型,但是又要考慮計(jì)算工作量。一般情況下,需要將關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位置保持精確的形狀和尺寸,一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的倒角等結(jié)構(gòu)可以忽略和簡(jiǎn)化,實(shí)現(xiàn)計(jì)算精度和計(jì)算效率的協(xié)調(diào)性安排。在網(wǎng)格劃分方面,網(wǎng)格尺寸和類型的合理性直接決定了計(jì)算結(jié)果的可靠性。在有限元軟件ANSYS中,提供了不同節(jié)點(diǎn)特性的單元類型可供選擇,但是為了保證網(wǎng)格的精細(xì)程度,降低網(wǎng)格畸變程度,文中基于ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最終得出耦合器中泵體的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。ICEM目前已集成于ANSYS中,能夠通過(guò)指令調(diào)取和導(dǎo)入網(wǎng)格模型,根據(jù)塊的劃分得出理想的六面體網(wǎng)格模型,相比同等數(shù)量的四面體網(wǎng)格,計(jì)算效率更高。

      1.2 邊界條件設(shè)置

      根據(jù)液粘摩擦耦合器的工作原理可知,泵體腔內(nèi)不同的充液率將出現(xiàn)不同的摩擦載荷。因此,文中分別對(duì)油液35%、75%和完全充滿載荷條件下的泵體強(qiáng)度進(jìn)行分析。在邊界條件設(shè)置方面,充分考慮油液的離心力作用,根據(jù)實(shí)際工程中的經(jīng)驗(yàn)法施加載荷值。

      在自由度約束設(shè)置方面,由于液粘摩擦耦合器的泵輪與泵輪軸連接在葉輪中心位置處,因此需要將此次設(shè)置為圓柱類型約束,即泵體中的葉輪能夠繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了便于設(shè)置,需要建立圓柱坐標(biāo)系,完成徑向和周向約束的施加[5],模擬過(guò)盈配合狀態(tài)。

      2 結(jié)果分析

      2.1 油液35%載荷條件

      在該載荷條件下,最終可得出穩(wěn)態(tài)條件下泵體的整體應(yīng)力場(chǎng)如圖2(a)所示,同時(shí),為了利于查看細(xì)節(jié),取出單獨(dú)葉片扇區(qū)模型,其應(yīng)力場(chǎng)如圖2(b)所示。從圖2中可以看出:當(dāng)輸入軸以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),整個(gè)泵輪沿著徑向方向受到拉伸作用,隨著最大應(yīng)力位于外徑根部和葉片中心位置,未表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

      (a)泵體應(yīng)力云圖

      (b)單獨(dú)葉片扇區(qū)應(yīng)力云圖

      (a)泵體變形云圖

      (b)單獨(dú)葉片扇區(qū)變形云圖

      穩(wěn)態(tài)條件下泵體的整體變形場(chǎng)如圖3(a)所示,單獨(dú)葉片扇區(qū)變形場(chǎng)如圖3(b)所示。圖3中可以看出:最大變形位于泵體的外邊緣區(qū)域,在離心力作用下,表現(xiàn)出明顯的線性增大。

      2.2 油液75%載荷條件

      在油液載荷為75%條件下,泵體的整體應(yīng)力場(chǎng)如圖4(a)所示,單獨(dú)葉片扇區(qū)應(yīng)力場(chǎng)如圖4(b)所示。圖4中可以看出:相比于35%載荷條件,該條件下的最大應(yīng)力值達(dá)到了355Mpa,顯著提升;出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象,位置位于葉片內(nèi)徑根部;外徑端部位置也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力分布不均現(xiàn)象。這是由于在較大液粘摩擦力作用下,葉片作為主要承載面承受較大的壓力載荷,但非工作面承受拉力載荷。

      (a)泵體應(yīng)力云圖

      (b)單獨(dú)葉片扇區(qū)應(yīng)力云圖

      該載荷條件下泵體的整體變形場(chǎng)如圖5(a)所示,單獨(dú)葉片扇區(qū)變形場(chǎng)如圖5(b)所示。圖5中可以看出:泵輪的變形特性與35%載荷條件同樣有著顯著的不同,最大變形位置出現(xiàn)在葉片中心位置,并非小載荷條件下的外徑端面;最大變形量達(dá)到了0.17mm。根據(jù)液粘摩擦耦合器的工作原理可知,為了降低泵輪端面的變形量,一般采用開(kāi)螺栓孔的方式直接將泵體固定。當(dāng)泵輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí),液粘離心力轉(zhuǎn)化葉片的摩擦力,使得葉片的變形場(chǎng)出現(xiàn)等值變形環(huán)狀條狀態(tài)。由此可見(jiàn),從變形量主因素影響大小上分析,油壓的壓力在葉片的變形上起到主要影響作用。

      (a)泵體變形云圖

      (b)單獨(dú)葉片扇區(qū)變形云圖

      2.3 完全油液載荷條件

      在極限載荷條件下,即完全油液載荷狀態(tài)時(shí),可得出泵體的整體應(yīng)力場(chǎng)如圖6(a)所示,單獨(dú)葉片扇區(qū)應(yīng)力場(chǎng)如圖6(b)所示。圖6中可以看出:該條件下同樣具有應(yīng)力集中現(xiàn)象,在巨大的油液沖擊作用下,位于葉片外徑和內(nèi)徑根部位置,最大應(yīng)力值達(dá)到1710MPa;對(duì)于非工作平面,應(yīng)力云圖出現(xiàn)了漩渦現(xiàn)象,這是由于油液流體離心力的作用,使較大應(yīng)力出現(xiàn)在了距離葉片中心處的小部分區(qū)域。

      (a)泵體應(yīng)力云圖

      (b)單獨(dú)葉片扇區(qū)應(yīng)力云圖

      該載荷條件下泵體的整體變形場(chǎng)如圖7(a)所示,單獨(dú)葉片扇區(qū)變形場(chǎng)如圖7(b)所示。圖7中可以看出:由于載荷較大,葉片上的最大變形量達(dá)到1.38mm;從整體上看,由于油液充滿整個(gè)內(nèi)腔,隨著主軸轉(zhuǎn)動(dòng),泵體的邊界條件類似于簡(jiǎn)支梁,在彎矩作用下,最大變形位置位于葉片的中心位置。

      (a)泵體變形云圖

      (b)單獨(dú)葉片扇區(qū)變形云圖

      3 結(jié)語(yǔ)

      在本文所研究的液粘摩擦耦合器關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析方案中,主要基于有限元方法實(shí)現(xiàn)不同工況下的強(qiáng)度計(jì)算。不同載荷條件下的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)特性有著顯著的差別,可為工作條件的優(yōu)化控制提供重要的依據(jù),并為液粘摩擦耦合器的空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供思路和方法。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1]李亞輝,付轉(zhuǎn),劉媛榮,等.福伊特液力耦合器與液黏軟啟動(dòng)裝置的分析比較[J].煤礦機(jī)械,2012,33(3):146-148.

      [2]崔希海,陳付坤,任建鵬.正反饋端面摩擦耦合器的研發(fā)[J]. 煤礦機(jī)械,2013,34(4):12-17.

      [3]崔希海,郭鵬鵬,胡凱,等.摩擦耦合器帶載啟動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型建立[J].煤礦機(jī)械,2011,32(2):44-46.

      [4]高圓,于巖,張釗,等.液粘軟啟動(dòng)裝置摩擦片的有限元分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2016(7):60-63.

      [5]楊前明,高潔,莊宿濤,等.液體黏性調(diào)速離合器主動(dòng)軸的有限元分析[J].煤礦機(jī)械,2009,30(4):80-82.

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