液力偶合器泵輪轉子系統有限元強度分析

馬士濤，陳乃娟

(1.江蘇神盾工程機械有限公司，江蘇 淮安 211600；2.中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

近年來，我國旋轉機械應用不斷向高轉速、大扭矩等惡劣工況發展，作為節能設備的液力偶合器，不僅具有無級調速、操作簡單、維修便利、工作可靠、調節靈活的特點，而且能達到全程自動調節的效果，過載保護性能較好，即使出現載荷過大導致停轉的狀況，主動軸仍然可以轉動，可適應變化的載荷，電能得到大量的節約。在電力、石化、機械工程、煤礦、市政的供水與供氣以及輕工等眾多行業中得到廣泛應用[1-2]。

液力偶合器主要由泵輪、渦輪、主動(輸入)軸及從動(輸出)軸、轉動外殼、勺管等組成。泵輪、渦輪分別安裝在主動軸、從動軸上，兩者具有同等徑向尺寸的腔形，之間具有間隙相互耦合組成工作油腔室[3]，泵輪內側流動的工作油跟著動力機共同進行旋轉運動，由于離心力的存在，油甩進泵輪的外側，進而高速流入相鄰的渦輪葉片，在渦輪內側，油速逐漸降低，在流回至泵輪內側時構成一個循環周期。在工作腔中，從工作介質的軌跡可以看出是三維運動。隨著液力偶合器向大功率、高轉速發展，作業工況也越來越惡劣，在各種行業應用中經常發生因結構強度不足或者設計不規范等原因出現停機事故。在工程中，泵輪轉子系統結構的合理設計可有效防止螺栓發生飛落、泵渦輪產生爆裂、傳動軸容易形成斷裂或扭曲等現象[4-5]，避免影響設備正常運行，液力偶合器泵輪轉子系統的安全性、可靠性顯得尤為重要。本文基于有限元法對大型液力偶合器泵輪轉子系統進行有限元強度仿真分析，為設備的安全性能及優化設計提供依據，也為設計新型液力偶合器泵輪轉子系統結構打下理論基礎。

1 泵輪轉子系統結構參數

泵渦輪轉子系統如圖1所示，含泵輪、轉動外殼、泵輪軸、小齒輪以及聯接螺栓等，具體分析模型參數見表1。泵輪軸通過12個M20螺釘與泵輪相連，而泵輪通過56個M12螺釘與轉動外殼相連，泵輪軸上有2個徑向軸承和1個推力軸承。增速型液力偶合器通過大小齒輪嚙合，泵輪系統有較高轉速，泵輪內的工作油在葉片的高速旋轉下，由于離心力作用把工作油甩到渦輪葉片腔體內，渦輪軸帶動如離心泵等設備旋轉運動。雖然泵輪、渦輪內油壓會有一定的損失，形成一定滑差，但整個系統作用在高速旋轉離心的惡劣工況中，零部件之間的連接至關重要。

表1 液力偶合器特性參數

2 泵輪轉子系統強度分析

2.1 模型前處理

為了關注泵輪轉子系統零部件關鍵區域應力、應變變化情況，確保模擬準確性，提高模型的計算效率，對模型簡化如下：省略螺紋聯接處螺牙建模、泵輪中回油孔以及泵輪軸軸向開孔等細微結構，保證求解過程不影響模型實質性分析。

應用三維軟件對泵輪轉子系統進行建模(見圖2)，泵輪轉子系統中各零部件材質及力學性能見表2，體網格劃分采用SOLID45六面體單元[6-7]，Element：226110，Node：383854，已考慮網格無關性。泵輪軸采用Cylindrical，模擬徑向軸承設置Radial為Fixed，Axial與Tangential均為Free，泵輪軸端推力軸承處約束軸向位移為0。

a) 三維模型

表2 泵輪轉子系統各零部件材質及力學性能

泵輪軸小齒輪處施加不同轉速下的扭矩，螺栓均加載預緊力(M12：30 000 N；M20：110 000 N)，泵輪轉子系統施加不同轉速(離心力)，重力以及泵輪腔壁、葉片以及轉動外殼施加油壓力(最大外緣壓力)。泵輪軸與M20螺釘連接面處bonded，泵輪與螺釘接合處bonded，同樣的方式處理泵輪與轉動外殼之間的螺釘接觸[8]。不同工況下轉子系統的傳動參數見表3。

表3 不同工況下轉子系統的傳動參數

2.2 計算結果和分析

利用裝配體接觸分析[9-10]，設置各參數，求解得到不同轉速工況下的各零件應力、應變云圖(見圖3～圖5)。

a) 極限工況

a) 極限工況

a) 極限工況

根據圖3不同工況下轉動外殼應力、應變云圖可知，轉動外殼在不同工況下最大應力發生在外殼最小直徑處，隨著轉速的降低，其應力也相應減小，均小于材料的屈服極限，其安全系數分別為1.6、1.7、1.7、1.77；在最大工況和額定工況下，轉動外殼的施加荷載一致，所以產生的應力也未發生變化；轉動外殼最大應變同樣發生在外殼最小直徑處，即遠離轉動外殼聯接螺釘沿軸向膨脹的位移。

根據圖4不同工況下轉動外殼應力、應變云圖可知，泵輪在不同工況下最大應力均發生在泵輪與轉動外殼聯接螺栓處，此處集中應力產生，由于泵輪內壓力是流體非線性變化，入口油壓約0.3 MPa，但在高速運轉下，葉片外端的壓力得到數倍增加，初步按照6 MPa施加，應力集中值在不同工況下變化不大，隨著轉速的降低而相應減小，均小于材料的屈服極限，其安全系數分別為1.1、1.16、1.16、1.2；其余處在不同工況下均有大于3的安全系數；最大應變發生在泵輪最外端。

根據圖5不同工況下泵輪軸聯接螺栓應力、應變云圖可知，各工況下聯接螺栓產生了剪切應力，發生在兩零件聯接處，泵輪軸聯接螺栓最大應力約為470 MPa，轉動外殼側聯接螺栓最大應力約為624 MPa，均小于材料的許用應力，安全系數分別大于1.88和1.4，與理論計算相接近。

3 試驗測試

通過工廠性能試驗(見圖6)以及電站現場聯機試驗，偶合器在起動、運行、停機及切斷設備電源等工況下進行持續監控，同時運行中勺管處于最低至最大100%勺管位置時，檢測允許溫度、工作油及潤滑油壓力、振動、噪聲等各項性能指標良好，整機輸入端、輸出端以及泵渦輪軸振動指標均滿足設計標準值，小于0.038 mm；噪聲小于85 dB(A)；過熱試驗(在允許最高油溫的110%油溫下)密封檢測中法蘭接頭、輸入軸、輸出軸、中分面及側面螺栓均未滲漏；傳遞功率、轉速以及全載滑差滿足設計要求。

圖6 液力偶合器整機試驗

偶合器滿負荷運行2年后，拆卸泵輪轉子系統均未發生磨損，葉片未沖蝕、未發生裂紋，高強度螺栓均未發生斷裂等現象，通過試驗臺復測，該偶合器的各項性能指標基本保持不變，具有一定的安全性、可靠性。

4 結語

本文利用有限元法對大型液力偶合器泵輪轉子系統進行強度分析，對泵輪系統各零部件在極限工況、最大工況、額定工況以及正常工況下進行計算，其安全系數及剛度均滿足設計需求，結論如下：1)轉動外殼在不同工況下最大應力發生在外殼最小直徑處，均小于材料的屈服極限，并有足夠的安全系數，具有遠離轉動外殼聯接螺釘沿軸向膨脹的位移；2)泵輪在不同工況下最大應力均發生在泵輪與轉動外殼聯接螺栓處，此處有集中應力產生，螺栓材料的選擇及數量布置尤為重要；3)泵輪軸聯接螺栓在不同工況下剪切應力發生在兩零件聯接處，泵輪軸和轉動外殼側聯接螺栓均有剪切應力產生，均小于材料的許用應力，有足夠的安全系數。

產品已在電站滿負荷穩定運行得到驗證，通過對液力偶合器泵輪轉子系統進行強度分析，為產品研制及升級提供了技術支持和安全保證。