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我國(guó)傳遞功率6 000 kW以上、轉(zhuǎn)速5 000 r/min6 650 r/min，配套60萬(wàn)、100萬(wàn)千瓦超臨界、超超臨界火電鍋爐給水泵機(jī)組的大功率齒輪傳動(dòng)調(diào)速裝置，目前完全從國(guó)外進(jìn)口。大型齒輪調(diào)速裝置工作葉輪設(shè)計(jì)制造是制約調(diào)速裝置傳遞大功率的重要因素之一。大功率齒輪調(diào)速裝置的葉輪是傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵元件，一旦發(fā)生葉輪葉片碎裂，將直接導(dǎo)致軸承損壞，從而導(dǎo)致整機(jī)失效回。本文在流體力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用傳統(tǒng)有限元法和基于葉輪工作腔流場(chǎng)計(jì)算應(yīng)力方法對(duì)該調(diào)速裝置葉輪進(jìn)行了強(qiáng)度有限元分析計(jì)算，得到葉輪的應(yīng)力和位移分布，在滿足強(qiáng)度要求的前提下為液力偶合器的設(shè)計(jì)、制造提供了可靠的依據(jù)。大型齒輪調(diào)速裝置液力工作腔核心元件包括：泵輪、渦輪和渦輪套。在泵輪和渦輪共同工作時(shí)，由于泵輪負(fù)荷始終大于渦輪(泵輪轉(zhuǎn)速、功率均大于渦輪)，且渦輪內(nèi)側(cè)有葉片，起到加強(qiáng)筋的作用，渦輪輪壁內(nèi)外的油壓力也可以互相抵消(渦輪外有渦輪套和泵輪組成密閉工作腔)。因此，渦輪強(qiáng)度條件較好。所以在工作輪中，可以只對(duì)泵輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。
在進(jìn)行有限元分析之前，應(yīng)用建模軟件建立調(diào)速裝置葉輪實(shí)體模型。某大型齒輪調(diào)速裝置主要技術(shù)參數(shù)有：
泵輪有效直徑511 mm；
彈性模量190 GPa，泊松比0.3，材料密度最高轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)度極限供油壓力工作油密度267.85 kg/mm，5734 r/min，1080 MPa，0.2 MPa，870 kg/m；
通過(guò)Ansys提供的網(wǎng)格劃分器，采用四面體實(shí)體單元對(duì)泵輪實(shí)體模型自由劃分網(wǎng)格，生成可靠的、高質(zhì)量的體單元，生成的有限元網(wǎng)格模型。
在求解過(guò)程中處理自由度約束的過(guò)程如下：液力偶合器泵輪與其他部件之間相連接的是中心圓柱面和帶連接孔的端面，所以中心圓柱面加Y、Z兩個(gè)方向的約束，即U=UZ=0，用于模擬在受力時(shí)與軸之間不可能發(fā)生相互移動(dòng)的實(shí)際情況。對(duì)于泵輪、渦輪的帶連接孔端面，加以單向約束即UT=0，這樣整個(gè)邊界條件的處理可大致相當(dāng)于實(shí)際情況下的工況。
根據(jù)齒輪調(diào)速裝置的特性，葉輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)工作時(shí)，泵輪主要承受4個(gè)方面的作用力：金屬材料在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力；工作腔內(nèi)工作液體壓力引起的應(yīng)力；外輪緣螺釘引起的拉力；作用在泵輪上的軸向推力F。
通過(guò)定義材料密度和旋轉(zhuǎn)速度來(lái)對(duì)所有單元施加離心力作用。工作液體對(duì)型腔內(nèi)壁的壓力以及工作液體對(duì)葉片的作用力，均通過(guò)在對(duì)應(yīng)表面施加均布載荷實(shí)現(xiàn)。螺釘?shù)睦σ跃剂Φ男问绞┘釉诒幂喭廨喚壍膱A環(huán)面上。
泵輪上的最大應(yīng)力值為243.73MPa，發(fā)生位置在葉片與泵輪壁殼內(nèi)壁相接外輪緣內(nèi)緣處。因?yàn)橥廨喚墐?nèi)緣的應(yīng)力由外輪緣質(zhì)量旋轉(zhuǎn)應(yīng)力與循環(huán)流動(dòng)的工作液體作用在泵輪壁殼內(nèi)壁上的液體壓力疊加構(gòu)成，所以當(dāng)泵輪承受過(guò)大的內(nèi)部油液壓力載荷時(shí)，首先發(fā)生破壞的地方就是葉片與葉輪內(nèi)壁相接處。葉輪其它地方的應(yīng)力都相對(duì)較小。在葉片與內(nèi)壁相接處，泵輪所用材料屈服極限為1080 MPa，最大應(yīng)力值低于屈服極限，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求；最大變形值為0.11168 mm，發(fā)生在泵輪最外的邊緣處。
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