提高轴流通风机产品结构安全性设计――轴流通风机轮毂的模态分析

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在通风机的过程中，利用先进的有限元分析方法对其进行模态分析，确定轮毂在旋转过程中的振动特性，避免风机运行过程中发生共振，提高了产品设计的安全性。在进行风机叶轮、导流器、扩散器及轮毂等主要部件的设计过程中，通过有限元分析方法，最终完成通风机的总装设计。

模态分析是研究各种机械的动态特性，建立动力学模型，进行参数优化必不可少的-种分析技术，近年来在航空航天领域里显示了巨大的作用。通过对轮毂进行模态分析可以得到结构的固有频率和振型。-方厦可l狄使叶轮工作转速远离共振转速，即避免外力频率接近叶片固有频率使叶片振动剧烈产生疲劳损伤。另-方面，当轮毂结构发生故障时，如出现裂纹、松动、零部件损害等情况，结构物理参数会发生变化，其特征参数如固有频率、模态阻尼、振型、频响函数、相干函数等亦随之改变。根据这些参数的变化情况，可以判断出故障类型，有时还可以判断出故障位置，如根据模态频率的变化判断裂纹的出现，根据振型的分析判断裂纹的位置。

1关于轴流通风机结构型式合理性捌分产品结构型式的合理化 是结构设计的前提和依据。对于管道轴 流通风机，按叶尖处的流速系数和压力 高低可大致分为三类。叶尖处流速系 数定义为：AVa/ R60Va/ Dn，其中 Va为轴向速度；Q为叶轮旋转角速度；D2R为叶轮直径、半径；13.为叶转工作转速。

1)人

2)A 0.2-0.4，此类风机压力较高，轮毂比较大，通常在 0.5-0.7，单级叶轮常 有导叶。

3)A>0.4，由于单级叶轮的风机压 力受到了限制，为进-步提高压力，此类 风机采用了多级型式。

2关于轴流通风机结构设计中的细节处理结构设计中的技术细节处理得 好，不仅有利于风机性能的改善，而且有利于提 高使用的可靠性，延长风机寿命以下的技术细节处理应引起人们的关注 和重视。如对叶根的修型处理。设计中，由于结构和强度的需要，往往要对机翼型叶 片根部或根部附近的切面(即过渡切面避行修型。修型原则：将标准翼型修改成非标准翼型 后，应具有良好的光滑的外形，以尽量减少对风 机性能的不利影响。而对机翼型叶片的防腐、耐磨处理则要根据实V.-t况看来，像煤矿的抽出式轴流通风机是在 潮湿、含尘的气流中工作；带水的气流对冷却塔轴流通风机叶片前缘造成冲蚀作用，因此风机叶片都要有防腐蚀或防磨损或防腐、防磨的 处理。对于煤矿至今仍使用的铆焊结构的钢质空 心叶片，可在叶片外表面采用热喷涂不锈钢合金 的方法提高抗腐蚀性；在迎风面喷涂镍铬合金以增加耐磨性能。

3风机叶轮中轮段结构设计原则风机叶轮中轮毂的主要作用是固定风机叶片，轮毂上产生的应力主要来源于两部分，-部分是由叶片、支杆和支杆上的固定螺母海个叶片用两个螺母中间夹-个锁紧垫片固定在轮毂上，垫片带有-个内齿起防松作用，支杆对应部位有齿槽辟绕叶轮轴旋转产生的离心力引起的；另-部分是由轮盘自身绕轴旋转而引起的。-般认为轮毂旋转产生的离心力全部由轮毂自身的张力来平衡，在校核轮盘强度时，轮毂的质量不再计人，即不考虑轮毂圆环表面对轮盘的影响，认为叶片的离心力全部由轮盘来承担，安全系数为n≥2。

根据前期叶轮设计直径的大小，轮毂圆环面采用厚度bg15mm钢板，轮盘采用bp30mm的钢板，两者焊接。轮毂设计中主要把握如下原则：1)在设计时，因为不均匀的气流会引起叶片振动，产生噪声。为了保证叶栅90 ；科技 博苋有均匀进气流，从减小气流阻力提高效率的角度考虑，取动叶与导叶之间的轴向间隙A 1≥(25% 4O%)b。

3)从受力角度考虑，为了避免叶片离心力产生附加弯矩，轮盘中线应与叶片支杆轴线重合。

4)叶片前后缘点在最大安装角情况下，应距离轮毂边缘还有10mm右的间距，并且在制图过程中要不断修正。

4风机叶轮中轮敏的模态分析模态分析用于确定部件和组装件的固有频率，使设计工程师可以避开这些频率或最大限度地减少对这些频率上的激励，从而消除过度振动和噪声。模态分析可以使振动模态动态化，从而提供-个清晰的动态图像来描绘结构在受到激威时的表现。模态分析主要用于确定结构的振动特性，如固有频率和各阶振型。固有频率和各阶振型是结构承受动力载荷设计中的重要参数，也是其他各类型动力学分析的基矗轮毂分析的结构模型，其有限元简化模型建立及网格划分结果。之后须选择约束条件，在此阶段要注意两点：1)模态分析中只有线性行为是有效的，如果指定了非线性单元，将当做是线性的；2)必须指定杨氏模量(或某种形式的刚度 密度(或某种形式的质量)。材料性质可以是线性的或非线性的，各向同性或正交各向异性的，恒定的或与温度有关的，非线性特征将被忽略。

因为模态分析结果和模型的质量有关，因此应将整个轮毂作为分析模型。

利用模态分析中对模型的耦合功能，将单个叶轮模型单元沿轴向互相耦合成-整体。耦合模型以后，整个模型就成为-个整体，这样模态分析模型就构建完毕了，但是模态分析计算中不考虑工作时的预应力。

基于模态分析结果，轮毂在第三、四、七、九振型下的变形处于临界状态，变形模态具有典型代表性，因此本文主要就其进行分析。从轮毂不同阶的振型来看，轮毂第三阶振动频率为零，第三阶振动形式为轮毂旋转平面内的来回转动，振动形式为旋转平面内的运动，即摆振振动。另外，轮毂第三阶模态振幅不大，最大位移为在轮毂外围，为2.183ram，最小位移在轮毂中心处，为0.05101ram。

轮毂第四阶振动频率为11.233Hz，振动形式为垂直于轮毂旋转平面内的上下振动，即挥舞振动。第四阶振幅较大，最大振幅在轮毂外围，为2.353mm，最小位移为穿过轮毂中心的-段长形区域，为0.152e-05mm。

轮毂第七阶振动频率为44。523Hz，振动形式为垂直于轮毂旋转平面内的，以轮毂中轴线为中心，对称对折振动，振幅较大，最大振幅在轮毂外围，为4。

164mm，最小振幅在轮毂中心区域，位移为0.183ee-O4mm。轮毂第九阶振动频率为l26.19Hz，振动形式为轮毂中间大部分区域振幅较小，靠近支撑板的部分和整个支撑板做扭转振动。振幅最大，最大振幅在轮毂外围，为4.435mm，最小振幅在轮毂中心区域，位移为0.10ge-04mm。

5结论综上所述，轴流通风机合理的结构型式是产 品结构设计的前提和依据，结构设计中技术细节 的处理有利于风机性能的改善。同时在通风机设计阶段，需要校核部件强度，通过有限元方法进行轮毂的模态分析使设计叶轮时重点考虑腹板方向和垂直于腹板方向的振动频率和模态，避免轮毂发生共振，提高了产品设计的安全性。