某調速型液力偶合器泵輪的模態分析

朱德春+江波+楊義蛟+蔡小華

摘要：調速型液力偶合器在工業中有很多應用。用戶可在多種工作轉速下使用液力偶合器來實現其生產生活。以YOTsj560水介質調速型液力偶合器為研究對象，運用ANSYS對該類型的液力偶合器的泵輪進行模態分析，得到了其四階固有頻率，分別為ω1=73.242 Hz，ω2=73.242 Hz，ω3=73.242 Hz，ω4=73.242 Hz，用戶在使用該型號液力偶合器時必須避開這幾階共振區。

關鍵詞：液力偶合器；泵輪；模態分析；ANSYS；固有頻率

中圖分類號：TH318 文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.004

0 引言

液力偶合器是重要的液力傳動器件[1]，常用于冶金設備、礦山機械、電力設備、化工及各種工程機械中，具有能實現無極調速、空載啟動和過載保護，使用壽命周期長，無諧波影響且節能的特點。由于液力偶合器在實際使用過程中需要特別注意其使用的工作轉速必須避開共振區域，因此研究液力偶合器的模態為液力偶合器的使用工況提供指導具有重要意義。液力偶合器的泵輪是主動件，在一般情況下被動件渦輪轉速總是低于泵輪，即如果產生振動，泵輪是主要的振動源，故著眼于對液力偶合器的泵輪進行模態分析。

1 液力偶合器簡介

液力偶合器是一種以液體為工作介質的非剛性聯軸器，又稱液力聯軸器，如圖1所示。渦輪與泵輪對稱布置，輪內設置一定數量的葉片。外殼與泵輪固定連接成一個密封腔，腔內填充工作液體以傳遞動力。所配置的易熔塞、易爆塞等安全保護裝置，能保證偶合器在超載時不發生事故。泵輪是主動件，渦輪是被動件，泵輪外沿油液的能量大于渦輪外沿油液能量，在此能量差的作用下，離開泵輪后的高速液流緊接著進入渦輪，并作用于渦輪葉片，當克服渦輪轉動所產生阻力和負載時，推動渦輪轉動，實現將流體能量轉換為機械能。

2 YOTsj560液力偶合器模態分析

2.1 建立模型

圖2所示為YOTsj560調速型液力偶合器泵輪的三維實體模型。泵輪葉片數為48，直徑為90 mm。其結構材料參數如表1。

通過之前的分析已知腔內所充液體的等效質量為腔內裝滿液體時的液體質量，由計算得等效質量為140 kg。將液體的質量視為作用在輸入軸端面中心的集中質量處理，利用mass21質量單元。

2.2 網格劃分

為了保證結構離散化的計算精度，我們采用具有可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化、大變形和大張力的能力的四面體單元solid92。利用ANSYS提供的自由網格劃分器，對實體模型自由劃分網格，生成可靠的、高質量的體單元，如圖3所示。

2.3 模態設置、定義邊界條件求解

在ANSYS中有以下多種提取模態的方法。Block Lanczos 法可以在大多數場合中使用，是一種功能強大的方法，當提取中型到大型模型的大量振型時，這種方法很有效，經常應用在具有實體單元或殼單元的模型中，可以很好地處理剛體振型擴展的模態數目應當與提取的模態數目相等，數值為4。在輸入軸承和渦輪軸承處施加全約束。

2.4 計算結果及其分析

模態分析結果見表2，各階振型如圖5所示。第一階、二階振型分別為水平方向和豎直方向的彎曲振動。因為水平和豎直方向的約束條件一致，故一二階頻率相等，為73.242 Hz。第三階振型為繞軸線的扭轉振動，頻率為89.446 Hz；第四階振型為前后方向的伸縮振動，頻率為219.46 Hz。

由此得到一階固有頻率約為73 Hz，而YOTsj560調速型液力偶合器工作轉速為25 Hz，遠小于其一階頻率。

3 結論

模態分析表明，YOTsj560水介質調速型液力偶合器泵輪的一階、二階固有頻率為73.242 Hz，第三階扭轉振動的固有頻率為89.446 Hz，第四階振型伸縮振動的固有頻率為219.46 Hz。在實際使用過程中，國內一般的工業電機轉速為50 Hz以內，而YOTsj560水介質調速型液力偶合器泵輪的一二階固有頻率為73.242 Hz，因此該液力偶合器能滿足一般的工況使用要求。但是，如果用于高速的場合時就要避開上述的幾階固有頻率，使液力偶合器工作于非共振區。

參考文獻：

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