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《吉林大学》 2011年
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大功率调速型液力偶合器轴向力研究

孙波  
【摘要】:作为一种液力传动元件液力偶合器具有很多优点。尤其是调速型液力偶合器应用在风机、水泵等耗能设备上调速节能效果明显。当液力偶合器工作时,会产生较大的轴向力,加速轴承的疲劳和磨损,缩短轴承的使用寿命,进而影响整机的使用寿命。液力偶合器叶轮本身不存在磨损,其可靠性和寿命主要是由轴承和密封决定的。因此,研究轴向力对提高液力偶合器的寿命和可靠性具有重要意义。 本文结合国家高技术研究发展计划(863计划)专题课题“大型泵与风机液力调速节能关键技术研究”(2007AA05Z256),采用计算流体动力学数值计算方法,对液力偶合器的流场和轴向力进行计算分析,找出其变化规律,并对轴向力进行试验研究。探讨液力偶合器轴向力的影响因素,并分析减小液力偶合器轴向力的措施。 本文主要研究内容和结论如下: 1、液力偶合器轴向力理论分析 液力偶合器轴向力包括泵轮轴向力和涡轮轴向力,它们均由工作腔轴向力和辅腔轴向力两部分组成。工作腔轴向力产生原因有两个,一是由于工作腔内流体受离心力作用产生的静压力所致;二是由于工作腔内流体循环流动,速度方向改变导致动量变化而产生的轴向力。辅腔轴向力主要是离心力产生的静压力所致。要准确计算轴向力,关键是获得工作腔和辅腔内准确的流场分布。通过对调速型液力偶合器结构和工作特点分析知,辅腔内流体对泵轮和涡轮的轴向作用力是一对大小相等方向相反的力;同理,工作腔内流体对泵轮和涡轮的轴向作用力也是一对大小相等方向相反的力。那么泵轮轴向力合力与涡轮轴向力合力必然也是一对大小相等方向相反的力。在计算轴向力时只计算其中一个即可。 2、液力偶合器气液两相流计算 计算调速型液力偶合器轴向力的关键是计算内流场。液力偶合器工作时,其工作腔内是非定常、三维、不可压缩、粘性气液两相流动。为此采用将气液两相流视为连续流体的Mixture多相流模型来描述其流动;对湍流计算采用计算量小、注重反映流场综合效果的雷诺时均法和基于Boussinesq涡粘假设理论的Relizable k -ε湍流模型;考虑到涡轮和泵轮叶片间的耦合影响,采用将泵轮和涡轮一起计算的整体流道计算域,泵轮和涡轮两计算域间边界采用滑移网格技术进行处理;叶片和流道表面设置为无滑移壁面条件;基于有限体积法对控制方程离散,空间离散格式选用稳定性好、精度较高的二阶迎风离散格式;对两相流离散方程采用分离式解法,速度—压力耦合采用PISO算法。并以YOCQz465调速型液力偶合器为例给出计算过程。同时对液力偶合器辅腔流场也采用同样的方法进行计算。 3、调速型液力偶合器轴向力及流场分析 为得到液力偶合器轴向力的大小和变化规律,以YOCQz465调速型液力偶合器为例,对各充液率、不同转速比条件下的流场和轴向力进行计算。并对制动工况、典型牵引工况和额定工况下液力偶合器工作腔、辅腔流场和轴向力进行分析。在此基础上获得液力偶合器轴向力合力。通过分析得出以下结论: 在充液率一定的情况下,液力偶合器轴向力随转速比的增大而减小;在制动工况下轴向力最大,在额定工况下最小。 轴向力的变化规律是由工作腔内和辅腔内流场压力这一对矛盾决定的。工作腔内的压力随转速比增大而减小,因为随转速比增大,工作腔环流量减小,由于速度方向改变而产生的动反力减小;辅腔内压力随转速比增大而增大,是由于转速增大,离心力增大的缘故。但各工况下,工作腔内压力均大于辅腔内压力,对轴向力起主导作用,决定轴向力的方向,所以液力偶合器泵轮和涡轮的轴向力都是向外的,即有使泵轮和涡轮分开的趋势。 4、调速型液力偶合器轴向力试验研究 理论分析与计算的结果是否正确只能通过试验来验证。为此在大连液力机械有限公司对YOCQz465调速型液力偶合器轴向力进行试验测试。首次提出并采用通过测量推力盘轴向应变来测量液力偶合器轴向力的方法。该方法不需要对原液力偶合器结构进行改造,对原液力偶合器结构和性能影响小,简单、方便,适用于具有推力盘的大功率液力偶合器。对试验结果进行分析表明,工作时液力偶合器轴向力脉动较大,对液力偶合器轴承和结构都有较大影响,但其平均值较稳定。将理论计算结果与试验结果进行对比分析表明,理论计算值比试验值略大一些,平均误差为8%,最大误差22%。实验测试和理论计算的轴向力方向是一致的。说明基于CFD的轴向力计算方法是可行的。 5、液力偶合器轴向力影响因素分析 液力偶合器轴向力影响因素很多也很复杂,为控制液力偶合器轴向力过大,分析了减小轴向力的措施。本文采用对比的方法,从理论计算和流场分析的角度,对液力偶合器的充液率、腔型、循环圆直径、输入转速等参数对轴向力的影响进行了分析。分析结果表明:液力偶合器充液率大,轴向力大,并近似成正比关系;液力偶合器腔型对轴向力影响较大,并且桃形腔轴向力明显大于圆形腔;循环圆直径增大,轴向力迅速增大,轴向力与循环圆直径四次方近似成正比;输入转速增大,轴向力增大,轴向力与转速平方近似成正比。在此基础上分析了减小轴向力措施。一是在涡轮壳体上开卸荷孔,可减小工作腔与辅腔间压力差,从而减小轴向力;二是采用双腔结构,对称结构可使轴向力相互抵消。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH137.331

【引证文献】
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3 蒋中奎;多级森林灭火离心泵的轴向力平衡研究[D];北京林业大学;2010年
4 王兴华;水泵泵轴轴向力测试传感器标定研究[D];沈阳工业大学;2011年
5 高扬;井下螺旋轴流式混抽泵装置设计研究[D];中国石油大学;2010年
6 张健;船用液力偶合器及其控制系统的建模与仿真研究[D];上海交通大学;2010年
7 郑建勇;流固耦合作用下的核主泵叶轮分析[D];大连理工大学;2011年
8 侯天柱;液力偶合器流场仿真分析方法及其力矩系数研究[D];中国舰船研究院;2011年
9 王本永;液体静压支承技术在多级离心泵轴向力平衡中的应用研究[D];辽宁工程技术大学;2002年
10 李新国;离心泵轴向力平衡电液控制系统的研究[D];辽宁工程技术大学;2003年
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