某调速型液力偶合器泵轮的模态分析
朱德春+江波+杨义蛟+蔡小华
摘要：调速型液力偶合器在工业中有很多应用。用户可在多种工作转速下使用液力偶合器来实现其生产生活。以YOTsj560水介质调速型液力偶合器为研究对象，运用ANSYS对该类型的液力偶合器的泵轮进行模态分析，得到了其四阶固有频率，分别为ω1=73.242 Hz，ω2=73.242 Hz，ω3=73.242 Hz，ω4=73.242 Hz，用户在使用该型号液力偶合器时必须避开这几阶共振区。
关键词：液力偶合器；泵轮；模态分析；ANSYS；固有频率
中图分类号：TH318 文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.004
0 引言
液力偶合器是重要的液力传动器件[1]，常用于冶金设备、矿山机械、电力设备、化工及各种工程机械中，具有能实现无极调速、空载启动和过载保护，使用寿命周期长，无谐波影响且节能的特点。由于液力偶合器在实际使用过程中需要特别注意其使用的工作转速必须避开共振区域，因此研究液力偶合器的模态为液力偶合器的使用工况提供指导具有重要意义。液力偶合器的泵轮是主动件，在一般情况下被动件涡轮转速总是低于泵轮，即如果产生振动，泵轮是主要的振动源，故着眼于对液力偶合器的泵轮进行模态分析。
1 液力偶合器简介
液力偶合器是一种以液体为工作介质的非刚性联轴器，又称液力联轴器，如图1所示。涡轮与泵轮对称布置，轮内设置一定数量的叶片。外壳与泵轮固定连接成一个密封腔，腔内填充工作液体以传递动力。所配置的易熔塞、易爆塞等安全保护装置，能保证偶合器在超载时不发生事故。泵轮是主动件，涡轮是被动件，泵轮外沿油液的能量大于涡轮外沿油液能量，在此能量差的作用下，离开泵轮后的高速液流紧接着进入涡轮，并作用于涡轮叶片，当克服涡轮转动所产生阻力和负载时，推动涡轮转动，实现将流体能量转换为机械能。
2 YOTsj560液力偶合器模态分析
2.1 建立模型
图2所示为YOTsj560调速型液力偶合器泵轮的三维实体模型。泵轮叶片数为48，直径为90 mm。其结构材料参数如表1。
通过之前的分析已知腔内所充液体的等效质量为腔内装满液体时的液体质量，由计算得等效质量为140 kg。将液体的质量视为作用在输入轴端面中心的集中质量处理，利用mass21质量单元。
2.2 网格划分
为了保证结构离散化的计算精度，我们采用具有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力的能力的四面体单元solid92。利用ANSYS提供的自由网格划分器，对实体模型自由划分网格，生成可靠的、高质量的体单元，如图3所示。
2.3 模态设置、定义边界条件求解
在ANSYS中有以下多种提取模态的方法。Block Lanczos 法可以在大多数场合中使用，是一种功能强大的方法，当提取中型到大型模型的大量振型时，这种方法很有效，经常应用在具有实体单元或壳单元的模型中，可以很好地处理刚体振型扩展的模态数目应当与提取的模态数目相等，数值为4。在输入轴承和涡轮轴承处施加全约束。
2.4 计算结果及其分析
模态分析结果见表2，各阶振型如图5所示。第一阶、二阶振型分别为水平方向和竖直方向的弯曲振动。因为水平和竖直方向的约束条件一致，故一二阶频率相等，为73.242 Hz。第三阶振型为绕轴线的扭转振动，频率为89.446 Hz；第四阶振型为前后方向的伸缩振动，频率为219.46 Hz。
由此得到一阶固有频率约为73 Hz，而YOTsj560调速型液力偶合器工作转速为25 Hz，远小于其一阶频率。
3 结论
模态分析表明，YOTsj560水介质调速型液力偶合器泵轮的一阶、二阶固有频率为73.242 Hz，第三阶扭转振动的固有频率为89.446 Hz，第四阶振型伸缩振动的固有频率为219.46 Hz。在实际使用过程中，国内一般的工业电机转速为50 Hz以内，而YOTsj560水介质调速型液力偶合器泵轮的一二阶固有频率为73.242 Hz，因此该液力偶合器能满足一般的工况使用要求。但是，如果用于高速的场合时就要避开上述的几阶固有频率，使液力偶合器工作于非共振区。
参考文献：
[1]陈于涛，陈林根，倪何，等. 基于演化算法的液力耦合器自动建模及运行特性分析[J＼]. 机械工程学报，2013（6）：153-159.
[2]崔卫秀. 水介质限矩型液力耦合器叶轮的分析与研究[D＼].太原理工大学，2012.
[3]李欣泽. 调速液力耦合器在输油泵机组上的应用[J＼]. 石油规划设计，2014（5）：47-49.
[4]左正涛，刘红红. 液力耦合器工作原理及其应用[J＼]. 应用能源技术，2007（11）：11-12.
[5]伍川勇. 液力耦合器振动的原因分析[J＼]. 风机技术，2011（2）：67-69.
摘要：调速型液力偶合器在工业中有很多应用。用户可在多种工作转速下使用液力偶合器来实现其生产生活。以YOTsj560水介质调速型液力偶合器为研究对象，运用ANSYS对该类型的液力偶合器的泵轮进行模态分析，得到了其四阶固有频率，分别为ω1=73.242 Hz，ω2=73.242 Hz，ω3=73.242 Hz，ω4=73.242 Hz，用户在使用该型号液力偶合器时必须避开这几阶共振区。
关键词：液力偶合器；泵轮；模态分析；ANSYS；固有频率
中图分类号：TH318 文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.004
0 引言
液力偶合器是重要的液力传动器件[1]，常用于冶金设备、矿山机械、电力设备、化工及各种工程机械中，具有能实现无极调速、空载启动和过载保护，使用寿命周期长，无谐波影响且节能的特点。由于液力偶合器在实际使用过程中需要特别注意其使用的工作转速必须避开共振区域，因此研究液力偶合器的模态为液力偶合器的使用工况提供指导具有重要意义。液力偶合器的泵轮是主动件，在一般情况下被动件涡轮转速总是低于泵轮，即如果产生振动，泵轮是主要的振动源，故着眼于对液力偶合器的泵轮进行模态分析。
1 液力偶合器简介
液力偶合器是一种以液体为工作介质的非刚性联轴器，又称液力联轴器，如图1所示。涡轮与泵轮对称布置，轮内设置一定数量的叶片。外壳与泵轮固定连接成一个密封腔，腔内填充工作液体以传递动力。所配置的易熔塞、易爆塞等安全保护装置，能保证偶合器在超载时不发生事故。泵轮是主动件，涡轮是被动件，泵轮外沿油液的能量大于涡轮外沿油液能量，在此能量差的作用下，离开泵轮后的高速液流紧接着进入涡轮，并作用于涡轮叶片，当克服涡轮转动所产生阻力和负载时，推动涡轮转动，实现将流体能量转换为机械能。
2 YOTsj560液力偶合器模态分析
2.1 建立模型
图2所示为YOTsj560调速型液力偶合器泵轮的三维实体模型。泵轮叶片数为48，直径为90 mm。其结构材料参数如表1。
通过之前的分析已知腔内所充液体的等效质量为腔内装满液体时的液体质量，由计算得等效质量为140 kg。将液体的质量视为作用在输入轴端面中心的集中质量处理，利用mass21质量单元。
2.2 网格划分
为了保证结构离散化的计算精度，我们采用具有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力的能力的四面体单元solid92。利用ANSYS提供的自由网格划分器，对实体模型自由划分网格，生成可靠的、高质量的体单元，如图3所示。
2.3 模态设置、定义边界条件求解
在ANSYS中有以下多种提取模态的方法。Block Lanczos 法可以在大多数场合中使用，是一种功能强大的方法，当提取中型到大型模型的大量振型时，这种方法很有效，经常应用在具有实体单元或壳单元的模型中，可以很好地处理刚体振型扩展的模态数目应当与提取的模态数目相等，数值为4。在输入轴承和涡轮轴承处施加全约束。
2.4 计算结果及其分析
模态分析结果见表2，各阶振型如图5所示。第一阶、二阶振型分别为水平方向和竖直方向的弯曲振动。因为水平和竖直方向的约束条件一致，故一二阶频率相等，为73.242 Hz。第三阶振型为绕轴线的扭转振动，频率为89.446 Hz；第四阶振型为前后方向的伸缩振动，频率为219.46 Hz。
由此得到一阶固有频率约为73 Hz，而YOTsj560调速型液力偶合器工作转速为25 Hz，远小于其一阶频率。
3 结论
模态分析表明，YOTsj560水介质调速型液力偶合器泵轮的一阶、二阶固有频率为73.242 Hz，第三阶扭转振动的固有频率为89.446 Hz，第四阶振型伸缩振动的固有频率为219.46 Hz。在实际使用过程中，国内一般的工业电机转速为50 Hz以内，而YOTsj560水介质调速型液力偶合器泵轮的一二阶固有频率为73.242 Hz，因此该液力偶合器能满足一般的工况使用要求。但是，如果用于高速的场合时就要避开上述的几阶固有频率，使液力偶合器工作于非共振区。
参考文献：
[1]陈于涛，陈林根，倪何，等. 基于演化算法的液力耦合器自动建模及运行特性分析[J＼]. 机械工程学报，2013（6）：153-159.
[2]崔卫秀. 水介质限矩型液力耦合器叶轮的分析与研究[D＼].太原理工大学，2012.
[3]李欣泽. 调速液力耦合器在输油泵机组上的应用[J＼]. 石油规划设计，2014（5）：47-49.
[4]左正涛，刘红红. 液力耦合器工作原理及其应用[J＼]. 应用能源技术，2007（11）：11-12.
[5]伍川勇. 液力耦合器振动的原因分析[J＼]. 风机技术，2011（2）：67-69.
