基于Ansys的礦用局部通風機葉輪模態分析

摘 要：葉輪是礦用局部通風機的核心部件，其可靠性對設備的安全性和穩定性有重要影響。文章創建了某礦用局部通風機葉輪的三維模型，并運用Ansys Workbench平臺對其進行模態分析，得到其前4階固有頻率和振型，為防止共振以及后續動態特性分析和優化設計提供理論依據。

關鍵詞：礦用局部通風機；葉輪；模態分析；Ansys Workbench

1 概述

軸流通風機是礦山生產的重要設備，向礦井輸送新鮮空氣，沖淡有害氣體并排出粉塵。軸流通風機一旦出現故障，輕則影響正常生產，重則引發瓦斯爆炸等安全事故。因此，軸流通風機的安全性和穩定性對礦山安全生產十分重要。

通過對礦用局部通風機的事故調查發現，葉片斷裂是發生事故的主要原因。當葉輪的固有頻率與激振頻率相吻合時，葉輪處于共振狀態，使得葉片發生斷裂的概率大大增加。因此，對葉輪的振動特性進行分析非常重要。

文章創建了一種礦用局部通風機葉輪的三維模型，并借助Ansys Workbench平臺，運用循環對稱分析的方法，對其進行模態分析，得到其前4階固有頻率和振型，為防止共振以及后續動態特性分析和優化設計提供理論依據。

2 模型處理

本礦用局部通風機葉輪由輪轂和14個葉片組成，輪轂外徑為240mm，輪轂厚度為110mm，葉輪外徑為400mm，安裝角度為51.5°，葉片頂部弦長與列線夾角為33.1°，頂部弦長為101.1mm，根部弦長為127.3mm，通風機葉輪三維模型如圖1所示。

文章針對通風機葉輪具有循環對稱的特點，采用循環對稱分析的方式對葉輪的一個基本循環扇區進行模態分析，進而得到整個葉輪模型的模態分析結果，并使計算量大幅降低。在保留完整單個葉片模型的前提下，應用Pro/E軟件將葉輪分解成均勻的十四份，從而得到基本循環扇區模型。

將基本循環扇區模型以.stp格式導入Ansys Workbench，并在Engineering Data中依據表1設置其工程數據。

為使后續網格劃分更為合理，在Design Modeler中使用slice命令將模型分割為葉片和輪轂兩個部分，并使用from new part命令將其合并為一個多體，使其節點共享。

為達到通過分析葉輪基本循環扇區模型得到整個葉輪模型模態結果的目的，需在Mechanical中創建Cydic Region對象，選取葉輪基本循環扇區模型的一側剖面設為High Boundary，將其另一側剖面設為Low Boundary，并創建局部圓柱坐標系。

輪轂部分網格劃分方法選擇Tetrahedrons（四面體網格），平均單元邊長設為10mm；葉片部分網格劃分方法選擇Sweep（掃掠網格），平均單元邊長設為5mm。網格劃分結果如圖2所示，其節點數為5974個，單元數為1519個。

3 約束與求解

葉輪通過鍵槽與電機主軸剛性連接，并通過主軸的定位軸肩和螺母限制葉輪兩側的軸向位移。在分析過程中忽略系統阻尼對振動特性的影響，并由于在Ansys模態分析中唯一有效的載荷是零位移約束，其他載荷將被忽略，因此，對于本例應在輪轂內孔及其兩端面處分別設置Frictionless Support（無摩擦接觸）約束。

根據振動理論，系統振動過程中低階模態起主要作用，高階模態對響應的貢獻很小，且衰減很快。因此，本系統求解前4階模態結果。

4 結果分析

通過模態分析得到葉輪前4階的固有頻率和最大振幅，如表2所示。

該通風機工作轉速為1450r/min，計算得出激振頻率為338.33Hz。

根據工程慣用標準，認為當固有頻率在激振頻率的85%～115%范圍內時將發生共振。因此，對于該系統，其各階固有頻率應避開287.58Hz～389.08Hz區間。與表2對比可知，該葉輪各階固有頻率均大于該區間上限，說明葉輪設計合理，不會發生共振。

5 結束語

文章創建了某礦用局部通風機葉輪的三維模型，并在Ansys Workbench平臺上運用循環對稱分析的方法對其進行了模態分析，得到了葉輪前4階的固有頻率和振型。通過對其各階固有頻率與激振頻率對比得出，該葉輪設計合理，不會發生共振。

本次有限元分析為預估系統在外力作用下的響應提供了模態參數，為葉輪的動態特性分析和優化設計提供了理論依據。

參考文獻

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作者簡介：熊杰（1984-），男，江西贛州人，碩士，研究領域：機電工程。