基于ANSYS与FLUENT软件的液粘调速离合器传动轴结构设计分析

论文摘要

液体粘性传动装置（Hydro Viscous Drive,简称HVD）是集机电液一体化技术的可控软起动装置,是低速重载设备实现无级调速的理想设备。近年来,在矿业装备、港口机械、物料输送、流体机械等重型、大功率设备上得到广泛应用,取得了显著的节能效果。液粘调速离合器输入轴和输出轴用于承担传递扭矩,作为润滑油与控制油输送载体,其轴向与径向均设计有油孔,结构较为复杂。由于应力应变多产生在受力较为集中的薄弱截面,容易导致机械零件疲劳破坏；另一方面,密封沟槽的应力应变同样较为集中,因此输入输出轴的结构及其工艺设计优劣对该轴的机械动力学、密封性能具有重要的影响。随着计算机技术的快速发展,现代机械设计理论也得到广泛的应用。基于有限元理论对重要零件关键部位的计算机辅助计算与性能分析,近年来越来越受到科技界的重视,已经逐渐发展成现代设计方法的一种趋势。液体粘性调速装置的输入轴和输出轴承受载荷状况复杂,机械动力与密封性能要求高,用有限元法对传动轴进行综合分析,与传统力学分析方法相比,能够从微观上更加全面准确把握轴的实际受力情况,对提高装置的综合性能,具有一定的学术价值与工程实践指导意义。本文以250-1500型液粘调速离合器为研究对象,在传统理论力学的基础上,建立输入轴与输出轴的力学模型,对其关键部分进行弯矩和扭矩的强度校核,然后通过ANSYS软件对轴进行分析,进一步论证了二者的最大弯矩、扭矩以及危险截面。选用三维造型软件Pro/E建立传动轴的实体模型,通过与ANSYS软件的数据接口连接导入后将实体模型转换为有限元模型,选定模型的单元类型、材料属性,然后对模型进行网格划分,定义边界条件后进行求解。通过对软件得出的计算结果进行分析,对输入、输出轴上的应力及应变以及两轴上的危险剖面及其危险点有更加完整、更加详细、更加准确的把握,为进一步对输出轴密封性进行数值模拟奠定基础。基于有限体积法,用FLUENT软件对输出轴上的密封薄弱环节进行了数值模拟和流体动力学分析,得到了速度场、压力场、密度场以及出口流量的分布规律,并对可能引起泄漏量的参数进行了分析,重点分析了控制压力、密封间隙、密封腔深度等结构几何参数变化可能对泄漏量与密封性能产生的影响,为输出轴密封性能的优化提供一定的理论指导依据。本文以液体粘性调速离合器输入轴、输出轴为对象,进行了传统力学强度校核与关键截面分析。首次全面运用传统力学、有限元法和有限体积法分析理论对输入轴和输出轴进行总体结构强度、密封性能方面的研究,获得诸多应力、应变、危险截面以及密封流场的相关变化规律。为更加合理设计两轴机械结构、合理科学制定制造工艺奠定了理论指导依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外对HVD技术的研究现状
• 1.3 本文的研究内容及主要工作
• 2 液粘调速离合器传动轴的强度校核
• 2.1 液粘调速离合器工作原理与结构特点
• 2.2 液粘调速离合器输入轴的强度校核
• 2.3 液粘调速离合器输出轴的强度校核
• 2.4 本章小结
• 3 有限元法原理及传动轴有限元分析
• 3.1 有限元法原理
• 3.2 液粘调速离合器输入轴的有限元分析
• 3.3 液粘调速离合器输出轴的有限元分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于有限体积法的输出轴密封流场的数值模拟
• 4.1 CFD基础
• 4.2 有限体积法基础
• 4.3 FLUENT软件简介
• 4.4 输出轴密封流场的模拟分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间论文发表情况