水介质限矩型液力耦合器叶轮的分析与研究

论文摘要

随着传统能源的日益枯竭,液力耦合器作为国家大力推广的节能产品,其在刮板输送机上得到了广泛的应用。由于煤矿井下环境特殊,用水作为介质代替传统的矿物油,必将在煤机领域有很广的市场前景。水介质限矩型液力耦合器主要依靠泵轮和涡轮在旋转时带动水旋转,进而传递动力。因此它能够安全可靠的运行主要依赖于泵轮和涡轮结构的合理性,而其结构的合理性主要表现为其抵抗振动和强度的能力。作为液力耦合器传递动力的关键元件,涡轮和泵轮担任着液体动能与机械能转换的重要角色。对涡轮和泵轮的应力状态分析是设计叶轮过程中必不可少的环节,因此叶片的应力计算准确与否对叶轮的应力分析有十分重要的影响。液力耦合器的泵轮和涡轮在旋转过程中,承受水的离心力、水流压力、空气压力等作用,应力情形较为复杂。此外耦合器的叶片受到水流的冲击时,会产生振动,当叶片的固有频率和水流冲击产的频率相接近时,会发生共振。涡轮和泵轮在长期的共振情况下,会发生疲劳破坏。本文对水介质限矩型液力耦合器涡轮和泵轮的强度、振动进行研究,将对耦合器的优化设计、刮板输送机的稳定运行、防止事故发生等都有重要的理论与实际意义。根据YOXD650型液力耦合器叶轮的特点和工作特性,首先推导耦合器叶轮静力有限元方程,和叶轮的有限元数学计算模型。然后利用三维建模软件Pro/E建立叶轮的三维实体模型,在有限元分析软件ANSYS中对叶轮及单个叶片强度进行了分析计算,通过分析可得出应力的最大值和叶片应力集中的部位,同时验证其强度的可靠性,可以适当增加叶片数量与叶轮壳体内壁相接处的圆角过渡来减小应力集中。由于泵轮和涡轮在运行状态下受力情况比较复杂,可能会产生共振。通过有限元分析软件对涡轮、泵轮、及叶片进行模态分析,得出当泵轮的动振动频率达到与第6阶频率相近时,可产生共振。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内液力耦合器的发展动态
• 1.3 国外液力耦合器的发展动态
• 1.4 国内外的差距
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 液力耦合器的类型及简介
• 2.1 普通型液力耦合器
• 2.1.1 普通型液力耦合器的结构性能
• 2.1.2 普通型液力耦合器的特点和用途
• 2.2 限矩型液力耦合器
• 2.2.1 限矩型液力耦合器结构性能
• 2.2.2 限矩原理特点用途
• 2.3 调速型液力耦合器
• 2.4 液力耦合器的基本特征及其参数
• 2.5 本章小结
• 第三章 水介质限矩型液力耦合器简介
• 3.1 水介质限矩型液力耦合器的工作原理
• 3.2 水介质限矩型液力耦合器的优点
• 3.3 水介质限矩型液力耦合器在煤矿井下刮板输送机上的应用
• 3.4 YOXD型液力耦合器的主要技术参数
• 3.5 本章小结
• 第四章 液力耦合器的几何建模
• 4.1 PRO/E软件的特点和优势
• 4.2 液力耦合器的主要部件模型
• 4.2.1 涡轮的模型
• 4.2.2 泵轮的模型
• 4.2.3 输出轴的模型
• 4.2.4 输入轴的模型
• 4.2.5 主动齿轮的模型
• 4.2.6 紧固盖的模型
• 4.2.7 泵轮轴承座的模型
• 4.3 耦合器的装配
• 4.4 本章小结
• 第五章 水介质液力耦合器的计算模型
• 5.1 概述
• 5.2 有限元八种三维单元介绍
• 5.3 离心力场下叶轮的有限元方程
• 5.5 叶轮静力学有限元方程的推导
• 5.6 叶轮的三维有限元计算单元
• 5.6.1 单元的形函数
• 5.6.2 单元刚度矩阵
• 5.7 本章小结
• 第六章 水介质液力耦合器叶轮的有限元分析
• 6.1 叶轮及其叶片的几何模型
• 6.2 网格划分
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 叶片的网格划分
• 6.2.3 涡轮和泵轮的网格划分
• 6.3 边界条件
• 6.4 受力分析与载荷模型
• 6.5 施加载荷与求解
• 6.5.1 载荷类型
• 6.5.2 施加载荷的方式
• 6.5.3 选择求解器
• 6.6 计算结果及分析
• 6.6.1 叶轮的应力分布
• 6.6.2 叶轮的位移与应力分布
• 6.7 本章小结
• 第七章 水介质限矩型液力耦合器模态分析
• 7.1 概述
• 7.1.1 模态分析的应用
• 7.1.2 模态分析步骤
• 7.2 水介质液力耦合器叶片的模态分析
• 7.2.1 计算模型
• 7.2.2 涡轮叶片模态分析计算结果及分析
• 7.2.3 泵轮叶片模态分析计算结果及分析
• 7.3 水介质液力耦合器涡轮和泵轮的模态分析
• 7.3.1 涡轮模态分析就算结果及其分析
• 7.3.2 泵轮模态分析计算结果及分析
• 7.4 叶轮在稳定运行时共振的可能性分析
• 7.4.1 激振力频率的计算分析
• 7.4.2 叶轮振动频率的分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录