推土機(jī)液力變矩器數(shù)值分析及改進(jìn)

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

液力變矩器是主要由泵輪、導(dǎo)輪和渦輪組成的傳動(dòng)部件，以變矩器油等流體為能量傳遞介質(zhì)，將機(jī)械能和流體動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化來傳遞動(dòng)力。變矩器的葉輪是由空間扭曲葉片構(gòu)成的，流體在葉輪流道內(nèi)呈空間三維流動(dòng)且復(fù)雜多變。隨工作狀態(tài)的變化，變矩器各個(gè)葉輪之間紊流流體相互耦合。由于流體的黏度特性，會(huì)引起二次流、脫流和旋渦等現(xiàn)象。這些因素都會(huì)使得研究變矩器性能變得復(fù)雜，無法準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行性能預(yù)測和改進(jìn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）得到了長足的發(fā)展。它使用離散的數(shù)值計(jì)算方法和模擬實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究、根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，是比較有效且經(jīng)濟(jì)合理的途徑。本文對(duì)推土機(jī)變矩器進(jìn)行CFD 流場仿真研究獲取相關(guān)性能參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行葉輪優(yōu)化，再進(jìn)行數(shù)值仿真性能預(yù)測和試驗(yàn)測試對(duì)比驗(yàn)證。

1 CFD建模及計(jì)算

CFD 數(shù)值模擬計(jì)算是一種很有效的研究變矩器葉輪內(nèi)部流場和性能預(yù)測的研究手段。數(shù)值模擬可以對(duì)變矩器內(nèi)部復(fù)雜的三維空間流動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)以提供了有效快捷的工具。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，提高了變矩器尤其是變矩器葉輪改進(jìn)的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短研發(fā)周期?；诹黧w的質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)，采用有限體積法（FVM）離散方法和雷諾平均法中的兩方程k-ε模型紊流模型，對(duì)由液力變矩器的泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成的流道內(nèi)的三維流場進(jìn)行仿真計(jì)算，建模分析計(jì)算流程如圖1。

圖1 建模分析計(jì)算流程

以160hp 推土機(jī)的YJ380 系列變矩器為研究對(duì)象，在三維軟件Creo 中進(jìn)行3 個(gè)葉輪的全流道三維建模。建模過程中的對(duì)物理模型進(jìn)行簡化，忽略前后腔與密封環(huán)的間隙，模型如圖2。

使用IECM 對(duì)液力變矩器的整個(gè)流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)定其邊界條件，最后導(dǎo)出液力變矩器全流道網(wǎng)格模型，如圖3 所示。

圖2 液力變矩器的幾何模型圖

圖3 全流道網(wǎng)格總裝配圖

將設(shè)置好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到CFD 軟件FLUENT 之后，設(shè)置計(jì)算模型求解器等項(xiàng)目參數(shù)。計(jì)算中采用三維瞬態(tài)流動(dòng)模型，3D Time 選擇Unsteady；對(duì)于求解器solver 選擇Pressure Based Implicit 即基于壓力的非耦合隱式結(jié)構(gòu)；Viscous Model 選擇兩方程模型k-ε紊流模型。Grid Interface 選項(xiàng)中設(shè)定泵輪出口面與渦輪入口面對(duì)接、渦輪出口面與導(dǎo)輪入口面對(duì)接、導(dǎo)輪出口面和泵輪入口面對(duì)接。為保證泵輪、渦輪、導(dǎo)輪三者接觸面（Interface 面）相互接觸并能有效模擬，一般情況下應(yīng)設(shè)置計(jì)算模型之間的接觸面面積相同。迭代過程中須注意隨時(shí)按情況改變亞松弛因子以方便加快收斂，其他設(shè)置按默認(rèn)狀態(tài)。

2 仿真計(jì)算和分析中的前提條件

油液介質(zhì)在液力變矩器內(nèi)部的流動(dòng)十分復(fù)雜，有許多因素影響其流動(dòng)。在流體計(jì)算中要忽略次要因素，研究主要因素，進(jìn)行簡化模型。在CFD 軟件計(jì)算中一般做如下處理再進(jìn)行計(jì)算。

1）計(jì)算模型中的流體假設(shè)為不可壓縮流體。

2）忽略溫度場和重力場對(duì)流體仿真的影響，僅研究流體的速度場和壓力場分布。

3）本文所研究的液力變矩器將所有構(gòu)件認(rèn)為是絕對(duì)剛體。

4）計(jì)算中忽略不計(jì)變矩器葉輪之間的流體泄漏量。

5）每個(gè)流道的流動(dòng)規(guī)律為軸對(duì)稱分布。

6）流動(dòng)的連續(xù)性。流體從上一個(gè)葉輪的流道流出后完全等量地流入下一個(gè)葉輪的流道內(nèi)，即葉輪間的Interface 界面處流體流動(dòng)的連續(xù)性。

7）忽略流體與壁面的圓盤摩擦損失等損耗，以半理想狀態(tài)流體進(jìn)行仿真。

3 流場分析

液力變矩器在工作中是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。渦輪輸出軸受載荷的變化而變化，其轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之自適應(yīng)變化，整個(gè)變矩器內(nèi)部流場是一個(gè)系統(tǒng)，泵輪的工作狀態(tài)也在變化。變矩器各性能參數(shù)與渦輪轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系即為液力變矩器的外特性。一般情況下多采用泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速比i作為橫軸繪制出變矩器外特性曲線。

為了更深入了解液力變矩器的工作原理和流場分布，以及研究內(nèi)部流場的典型分布特性及其產(chǎn)生機(jī)理。這里選取轉(zhuǎn)速比i=0.78 的工況點(diǎn)，來研究分析變矩器的內(nèi)部流場特性及性能參數(shù)。本文仿真中泵輪的轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定值2 000r/min，在此基礎(chǔ)上設(shè)置不同的渦輪轉(zhuǎn)速，計(jì)算多個(gè)轉(zhuǎn)速比的流場模型。通過對(duì)變矩器葉輪內(nèi)流場參數(shù)的分布細(xì)致分析可以大致掌握液力變矩器內(nèi)流體流動(dòng)的狀態(tài)，并能進(jìn)一步的對(duì)液力變矩器葉輪葉片優(yōu)化做出指導(dǎo)。

分析數(shù)值模擬仿真結(jié)果得到的泵輪內(nèi)部流道的壓力和速度分布場，可以得出泵輪出口壓力大于進(jìn)口壓力，顯然這是由于泵輪的葉片對(duì)流道內(nèi)流體做了功，提高了流體的能量，流體在流道壓力值逐漸升高。泵輪的葉片工作面的壓力值是大于葉片背面，是因?yàn)槿~片工作面為壓力面、做功面，而葉片背面為吸力面、負(fù)壓面，這與泵輪內(nèi)部流場規(guī)律的基本理論是一致的。葉片工作面速度卻小于葉片背面的速度，這是流體的環(huán)形速度（與泵輪旋轉(zhuǎn)方向相反，也稱為軸向漩渦速度）與流體相對(duì)速度（流道貫穿流動(dòng)引起）疊加引起的，壓力面附近流體速度為流道內(nèi)流體相對(duì)速度減去環(huán)形速度，背壓面附近流體速度為相對(duì)速度加上環(huán)形速度?？煽偨Y(jié)為泵輪內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律：壓力大的區(qū)域速度較低，壓力小的區(qū)域速度較大。

在轉(zhuǎn)速比i=0.78 時(shí)，泵輪流道內(nèi)壓力場梯度、速度標(biāo)量場的分布比較均勻，只有泵輪入口的極小局部區(qū)域，流體的壓力和速度存在劇烈的變化。泵輪流道入口葉片工作面處局部壓力場梯度突變大，而其葉片背面處局部壓力場出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域，泵輪葉片背面流體流動(dòng)中產(chǎn)生一定的脫離，主要是由于壓力梯度大及旋轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致的。

渦輪流道進(jìn)口端面到出口端面的速度標(biāo)量場變化較為均勻沒有突變。從渦輪流道的壓力梯度場可以得出：壓力梯度在流道內(nèi)呈均勻過渡的帶狀分布，也沒有出現(xiàn)脫流和二次流動(dòng)等影響流動(dòng)效率的現(xiàn)象。流體流動(dòng)穩(wěn)定，速度場分布的比較均勻，渦輪的進(jìn)口比出口速度大。隨著流體對(duì)葉輪的做功速度均勻的減少，速度梯度分布趨勢(shì)和壓力分布趨勢(shì)基本一致。

通過數(shù)值模擬仿真及分析，可以發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)的流體流動(dòng)情況和定性分析的情況基本一致，這也保證了改型設(shè)計(jì)可以使用CFD 仿真結(jié)果作為改進(jìn)優(yōu)化的依據(jù)。根據(jù)全流道流場瞬態(tài)仿真結(jié)果和相關(guān)測試數(shù)據(jù)和資料，為提升變矩器的效率η和優(yōu)化變矩器系數(shù)K，確定出導(dǎo)輪出口液流最優(yōu)角，并以此進(jìn)行其他葉輪改型設(shè)計(jì)。

4 改進(jìn)優(yōu)化及性能試驗(yàn)

根據(jù)全流道流場瞬態(tài)仿真結(jié)果和相關(guān)測試數(shù)據(jù)和資料，為提升變矩器的效率η和優(yōu)化變矩器系數(shù)K，確定出導(dǎo)輪葉片出口最優(yōu)角，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行其他葉輪改型設(shè)計(jì)。經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，導(dǎo)輪葉片出口角βD2為135°為最優(yōu)角，變矩系數(shù)的優(yōu)化區(qū)間為K∈[2.23，2.28]。在較為理想的工作條件下，經(jīng)過綜合分析選取效率最大時(shí)變矩器各工作輪的角度數(shù)值。經(jīng)過多次計(jì)算可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的部分結(jié)果如下。

變矩系數(shù)的優(yōu)化區(qū)間K=2.27

泵輪葉片進(jìn)口角βB1=46.67°

泵輪葉片出口角βB2=79.35°

渦輪輪葉片進(jìn)口角βT1=129.23°

渦輪輪葉片出口角βT2=15.13°

導(dǎo)輪葉片進(jìn)口角βD1=108.22°

導(dǎo)輪葉片出口角βD2=135°

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的性能，對(duì)優(yōu)化后的葉輪進(jìn)行建模再進(jìn)行CFD 內(nèi)流場仿真及性能預(yù)測和試驗(yàn)測試。被測試對(duì)象為優(yōu)化后的YJ380 液力變矩器，其循環(huán)圓直徑為380mm。試驗(yàn)中對(duì)動(dòng)力均采用恒轉(zhuǎn)速，保持泵輪輸入轉(zhuǎn)速為1 500r/min，加載裝置設(shè)置多個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試，最后將測試結(jié)果通過系數(shù)法換算到泵輪轉(zhuǎn)速為2 000r/min 時(shí)的狀態(tài)對(duì)應(yīng)值。

根據(jù)模擬出的數(shù)據(jù)結(jié)果再由公式（1）計(jì)算得出相關(guān)的性能參數(shù)，并以此繪制出性能曲線。其中，橫軸為變矩器傳動(dòng)比i從0 變化至1，縱軸為葉輪扭矩、效率η。液力變矩器外特性曲線，如圖4 所示。

圖4 液力變矩器的外特性曲線圖

液力變矩器全流道的幾何模型數(shù)值仿真得出的泵輪力矩特性數(shù)值與實(shí)測值基本吻合相差不大，尤其是效率曲線變化趨勢(shì)基本吻合；而渦輪的數(shù)據(jù)相對(duì)于前兩者相差較為明顯。這是由于在三維建模和數(shù)值模擬中忽略了一些細(xì)節(jié)和外界條件的干擾，進(jìn)而使流體處于較為理想的狀態(tài)以便計(jì)算較為容易收斂；泵輪的轉(zhuǎn)速是一定的，受外界影響相對(duì)小一些，而渦輪受負(fù)載和其他條件的影響較大。

對(duì)比實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)以及外特性曲線圖，可以看出優(yōu)化后的變矩器具有良好的效率性能表現(xiàn)，實(shí)測和仿真的變矩器最高效率分別達(dá)到82%和85%，兩者相差很小，說明數(shù)值性能預(yù)測是有效的。同樣，優(yōu)化后的變矩器的效率高效區(qū)在速比0.5 ＜i＜0.86 之間，工作區(qū)域范圍更寬有更好的適用性。優(yōu)化后的變矩器YJ380 裝機(jī)后性能符合主機(jī)要求，性能表現(xiàn)更佳。

5 結(jié)論

采用了三維瞬態(tài)流動(dòng)的數(shù)值模擬仿真得出的液力變矩器內(nèi)部流場分布和性能預(yù)測結(jié)果與實(shí)測參數(shù)是基本一致的，可以認(rèn)為數(shù)值模擬是可信的，能夠較好地反映變矩器葉輪內(nèi)部流體流動(dòng)狀況，具有良好的參考價(jià)值和有效性。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行葉輪優(yōu)化，將CFD 軟件FLUENT 計(jì)算來代替液力變矩器的部分樣機(jī)試驗(yàn)工作，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，為液力變矩器的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供了一種便捷的方法，對(duì)于降低成本、縮短研發(fā)周期、提高研發(fā)效率具有實(shí)際意義。