（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)械能和流體動能之間相互轉(zhuǎn)化來傳遞動力。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)呈空間三維流動且復(fù)雜多變。隨工作狀態(tài)的變化，變矩器各個葉輪之間紊流流體相互耦合。由于流體的黏度特性，會引起二次流、脫流和旋渦等現(xiàn)象。這些因素都會使得研究變矩器性能變得復(fù)雜，無法準(zhǔn)確地對其進(jìn)行性能預(yù)測和改進(jìn)。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計算流體動力學(xué)（CFD）得到了長足的發(fā)展。它使用離散的數(shù)值計算方法和模擬實驗的方法進(jìn)行研究、根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和驗證，是比較有效且經(jīng)濟(jì)合理的途徑。本文對推土機(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)測和試驗測試對比驗證。

1 CFD建模及計算

CFD 數(shù)值模擬計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)值模擬可以對變矩器內(nèi)部復(fù)雜的三維空間流動進(jìn)行試驗，為改進(jìn)設(shè)計以提供了有效快捷的工具。數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合，提高了變矩器尤其是變矩器葉輪改進(jìn)的設(shè)計質(zhì)量、縮短研發(fā)周期?；诹黧w的質(zhì)量守恒定律、動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)行仿真計算，建模分析計算流程如圖1。

圖1 建模分析計算流程

以160hp 推土機(jī)的YJ380 系列變矩器為研究對象，在三維軟件Creo 中進(jìn)行3 個葉輪的全流道三維建模。建模過程中的對物理模型進(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 對液力變矩器的整個流道模型進(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)置計算模型求解器等項目參數(shù)。計算中采用三維瞬態(tài)流動模型，3D Time 選擇Unsteady；對于求解器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 選項中設(shè)定泵輪出口面與渦輪入口面對接、渦輪出口面與導(dǎo)輪入口面對接、導(dǎo)輪出口面和泵輪入口面對接。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)置計算模型之間的接觸面面積相同。迭代過程中須注意隨時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)部的流動十分復(fù)雜，有許多因素影響其流動。在流體計算中要忽略次要因素，研究主要因素，進(jìn)行簡化模型。在CFD 軟件計算中一般做如下處理再進(jìn)行計算。

1）計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)為是絕對剛體。

4）計算中忽略不計變矩器葉輪之間的流體泄漏量。

5）每個流道的流動規(guī)律為軸對稱分布。

6）流動的連續(xù)性。流體從上一個葉輪的流道流出后完全等量地流入下一個葉輪的流道內(nèi)，即葉輪間的Interface 界面處流體流動的連續(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動態(tài)變化的過程。渦輪輸出軸受載荷的變化而變化，其轉(zhuǎn)速也會隨之自適應(yīng)變化，整個變矩器內(nèi)部流場是一個系統(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，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，計算多個轉(zhuǎn)速比的流場模型。通過對變矩器葉輪內(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)流體流動的狀態(tài)，并能進(jìn)一步的對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，是因為葉片工作面為壓力面、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）與流體相對速度（流道貫穿流動引起）疊加引起的，壓力面附近流體速度為流道內(nèi)流體相對速度減去環(huán)形速度，背壓面附近流體速度為相對速度加上環(huán)形速度。可總結(jié)為泵輪內(nèi)部的流動規(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，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)脫流和二次流動等影響流動效率的現(xiàn)象。流體流動穩(wěn)定，速度場分布的比較均勻，渦輪的進(jìn)口比出口速度大。隨著流體對葉輪的做功速度均勻的減少，速度梯度分布趨勢和壓力分布趨勢基本一致。

通過數(shù)值模擬仿真及分析，可以發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)的流體流動情況和定性分析的情況基本一致，這也保證了改型設(shè)計可以使用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。

4 改進(jìn)優(yōu)化及性能試驗

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。經(jīng)過優(yōu)化計算，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變矩器各工作輪的角度數(shù)值。經(jīng)過多次計算可以得到優(yōu)化設(shè)計的部分結(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)一步驗證優(yōu)化方案的性能，對優(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)測和試驗測試。被測試對象為優(yōu)化后的YJ380 液力變矩器，其循環(huán)圓直徑為380mm。試驗中對動力均采用恒轉(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 時的狀態(tài)對應(yīng)值。

根據(jù)模擬出的數(shù)據(jù)結(jié)果再由公式（1）計算得出相關(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)值與實測值基本吻合相差不大，尤其是效率曲線變化趨勢基本吻合；而渦輪的數(shù)據(jù)相對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)以便計算較為容易收斂；泵輪的轉(zhuǎn)速是一定的，受外界影響相對小一些，而渦輪受負(fù)載和其他條件的影響較大。

對比實測數(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)部流體流動狀況，具有良好的參考價值和有效性。根據(jù)仿真試驗結(jié)果并進(jìn)行葉輪優(yōu)化，將CFD 軟件FLUENT 計算來代替液力變矩器的部分樣機(jī)試驗工作，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，為液力變矩器的設(shè)計、改進(jìn)提供了一種便捷的方法，對于降低成本、縮短研發(fā)周期、提高研發(fā)效率具有實際意義。