液力耦合器自同期现象分析

胡汉辉,蒲骁旻,谭 青

(1.湖南工业职业技术学院,长沙 410208;2.中南大学机械电子工程学院,长沙 410083)

液力耦合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器,因其具有近空载启动、过载保护、节能无级调速、无谐波污染电网而得到广泛应用[1].每年有4万台(套)液力耦合器应用于矿山、港口、建材等行业.文献[2]分析了液力耦合器的振动原因,但对自同期现象没有进行深入分析,“自同期”这一概念首先出自日本学者的介绍[3],它是指在回转机械中如果有位置可移动的物体(或子系统),则该物体的位置将自动的受回转机械振动相位的影响,呈现一种自同期现象,物体位置的改变也会反过来影响回转机械的振幅,其结果会极大地增强或减弱回转机械的振动幅值.液力耦合器工作腔内的液体分布是可变的,即当液力耦合器转子因为不平衡而振动时其内腔中液体的分布会出现自同期现象.

1 液力偶合器的自同期现象分析

1.1 自同期现象分析的主要参数计算

图1 为液力耦合器工作腔部分充液的转子模型,偏心距为e,偏心质量为m偏,转子质量为m转,液体质量为m液,密度为ρ,转子的厚度为H.

如果回转机械工作频率ω在共振频率ωn附近时,工作腔内液体将发生自激振动,使系统处于振动加剧的不稳定状态,实际系统均会避免这种极端状况的出现,本文只对 ω不在ωn附近的情况进行分析.

图1 工作腔部分充液转子模型

由于液体的,当回转机械主动轴以 ω＇转速转动时,工作腔内的液体在粘性作用下转速逐渐加快,直到稳定转速ω.液体在惯性离心力作用下被甩向回转工作腔外壁.中间部份形成空洞,如图2所示.

图2 稳态回转时工作腔内液体的分布

图中O、O1为回转机械稳定工作时回转工作腔静止和运动时的中心位置,其中:X0为稳态振幅,OXY为转动坐标,r为回转液体内表面半径.

不考虑径向运动受力,回转腔受力分析如下:

①轴的弹性恢复力FK:

K为轴的径向刚度.

②偏心质量对应的惯性离心力F1:

从式(8)可知,当回转机械工作频率高于谐振频率时,回转腔内液体对回转机械的振动起到了衰减作用.

从式(9)可知,当回转机械工作频率低于谐振频率时,回转腔内液体对回转机械的振动起到了增强作用.

综上所述,液力偶合器如果由于某种原因在回转时产生不平衡量而引起振动时,其腔中的液体呈现自同期的现象.液力偶合器如果运行在谐振频率之下时,出现自同期现象是不利的;如果液力偶合器是运行在谐振频率之上,那么其回转腔内的工作液体就会起到自动平衡的作用,相当于液体平衡器,这为我们在液力耦合器的设计中提供了理论依据.

2 液力偶合器谐振频率的计算机仿真分析[4]

本文以YOTsj560水介质调速型液力偶合器为研究对象,利用 ANSYS对其进行计算机仿真分析[5].

计算机仿真分析结果见表1,各种振动振型如图3所示.其中:水平方向的弯曲振动频率为73.242 Hz;竖直方向的弯曲振动频率为 73.325 Hz;绕轴线的扭转振动频率为89.446 Hz;前后方向的伸缩振动频率为219.46 Hz.

图3 各种振型

表1 计算机仿真分析结果

在分析液力耦合器的自同期现象时,主要考虑x、y轴上的振动,本文着重分析水平方向的弯曲振动和竖直方向的弯曲振动.由表1可知,YOTsj560水介质调速型液力偶合器谐振频率为73 Hz,所以在使用这种液力耦合器时应避免运行在73 Hz附件,考虑自同期现象,最好运行在高于73 Hz的各种环境.

3 结束语

本文分析了液力偶合器回转腔液体因回转运动呈现的自同期现象,定量地计算了工作频率低于或高于谐振频率时的自同期现象对液力耦合器振动的影响.同时对YOTsj560水介质调速型液力偶合器利用ANSYS进行了计算机仿真分析,得到了其固有频率,为液力耦合器的设计和选用提供了参考.

[1]郑志强,王艳月.液力耦合器工程应用研究[J].开封大学学报,2006,20(2):87-93.

[2]江树基.机械传动装置配套液力耦合器运行振动原因分析[J].煤矿机械,2009,20(9):207-209.

[3]谭 青.液体平衡器的稳态特性的分析与应用[J].振动、测试与诊断,1992,12(3):5l-54.

[4]褚亚旭,刘春宝,马文星.液力耦合器三维瞬态流场大涡模拟与特性预测[J].农业机械学报,2008,39(10):169-173.

[5]胡汉辉,谭 青,张丽娜.Consteel电弧炉送料水冷拖板流速和温度场的有限元分析[J].特殊钢,2007,28(6):10-12.