基于有限元法的風機框架輕量化設計

□ 傅 田□ 繆瑩赟

1.重慶工業職業技術學院 重慶401120

2.浙江遨游動力系統有限公司 浙江湖州313000

1 問題的提出

機殼、葉輪、進風口和外轉子電機是空調風機的主要構成部分，其中機殼的主要作用是支撐整個風機，是風機的主要支撐部件。機殼除了承受風機的總質量之外，還需承受轉子離心力、皮帶輪張緊力及流體靜壓和動壓等載荷［1］，因此對空調風機框架的研究至關重要，框架結構力學特性在很大程度上決定了風機的振動、壽命和可靠性。目前國內風機框架設計通常基于經驗設計，設計周期長、質量大、成本高，不利于風機結構的輕量化設計。

筆者以SYQ710K風機框架為研究對象，基于有限元法對風機框架建模，計算出剛度和振動仿真結果，并進行CAE仿真分析，在通過試驗測試結果驗證后，得出風機外殼輕量化設計的方法。

2 有限元分析

建立風機框架的有限元模型，針對風機的工作原理和不同的安裝方式，對風機框架在不同工況條件下進行振動仿真和剛度仿真。

2.1 有限元分析建模

有限元模型要如實反映結構的幾何形狀、材料特性、傳力性質，邊界約束條件和承載方式，同時也要滿足工程精度要求和經濟性要求［2］。基于此原則和方法，建立風機框架有限元模型，如圖1所示。該有限元模型中節點共103 186個，單元共102 168個，軸和葉輪采用集中質量點施加在框架連接位置，模擬軸和葉輪的質量影響。

▲圖1 風機框架的有限元模型

2.2 基于有限元法的力學性能分析

風機框架的運行工況取決于風機的安裝條件和受力條件，在力學上稱為位移邊界條件和力邊界條件。對于位移邊界條件取決于安裝邊界，風機框架有0°安裝方向、90°安裝方向和180°安裝方向。由于在測試過程中無法實現0°安裝，因此在測試和仿真中均只考慮了90°安裝方向和180°安裝方向的力學性能研究。

力邊界條件主要包含重力、皮帶輪張緊力、轉子離心力、風靜壓和動壓。風靜壓和動壓對軸承安裝位置影響很小，而轉子離心力相對皮帶輪張緊力和重力較小，可以忽略。因此，仿真分析中僅考慮重力和皮帶輪張緊力［3］。

▲圖2 90°安裝工況下風機框架的位移云圖

對風機框架有限元模型在90°安裝方向和180°安裝方向兩種工況下，分別對X方向施加5 000 N載荷、Y方向施加5 000 N載荷、Z方向施加1 000 N載荷進行剛度仿真計算，得到位移云圖，如圖2和圖3所示。由于在彈性范圍內，剛度是零件載荷與位移成正比的比例系數，即引起單位位移所需的力，因此可計算出其剛度。在90°安裝的工況下，X方向的最大位移是0.04 mm，剛度是128 205 N/mm；Y方向的最大位移是0.03 mm，剛度是161 290 N/mm；Z方向的最大位移是0.06 mm，剛度是17 543 N/mm；在180°安裝的工況下，X方向的最大位移是0.08 mm，剛度是64 935 N/mm；Y方向的最大位移是0.01 mm，剛度是581 395 N/mm；Z方向的最大位移是0.08mm，剛度是13 157 N/mm。

▲圖3 180°安裝工況下風機框架的位移云圖

振動分析是在模態分析獲得結構響應特征的基礎上，通過施加輕量化應用的實際載荷對結構響應特征進行量化處理，以得到結構的變形和應力分布［4］。當風機框架在90°安裝和180°安裝兩種工況下，分別對其模擬轉速700 r/min，并在X方向施加1 000 N載荷，Y方向施加1 000 N載荷，Z方向施加200 N載荷，通過仿真計算得到振動的最大位移分別為0.021 mm和0.026 mm，得到位移云圖如圖4、圖5所示。通過振動速度與振動位移關系，可得出在90°安裝工況下，X方向最大振動速度為1.25 mm/s，Y方向最大振動速度為0.49 mm/s，Z方向最大振動速度為1.58 mm/s;在180°安裝工況下，X方向最大振動速度為1.24 mm/s，Y方向最大振動速度為0.49 mm/s，Z方向最大振動速度為1.54 mm/s。

▲圖4 90°安裝工況的風機框架位移云圖

▲圖5 180°安裝工況的風機框架位移云圖

3 風機框架的力學特性測試

以SYQ710K風機框架為研究對象，測試系統由蝸殼、框架、皮帶輪、軸、葉輪、驅動電機和測試平臺七個部分組成。風機總質量達260 kg，其中蝸殼質量56 kg，框架質量86 kg，軸質量38 kg，框架的質量占到了整個風機總質量的33%。

風機框架測試平臺如圖6所示，測試系統采用DH5922系統［5］，主要包含動態信號測試系統所需的信號調理器、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器、16位模數轉換器、采樣控制和計算機通信的全部硬件，測試系統是以計算機為基礎的智能化動態信號測試分析系統。在90°安裝方向工況下對電機軸承座進行測試，在180°安裝方向工況下對電機軸承座的框架左側進行測試，仿真與測試結果對比情況見表1。

▲圖6 風機框架測試平臺

表1 風機框架振動仿真與測試結果對比

從表1的風機框架振動仿真與測試結果的對比［6］可以得出：仿真與測試結果在各方向的振動量級基本一致，振動趨勢一致，由于振動量級較小，個別數據誤差主要是由在測試過程中的噪聲干擾所引起，仿真結果能夠反映結構力學特性，可以用來進行框架結構的優化設計。

4 風機框架輕量化設計方法

4.1 風機框架優化策略

風機框架優化流程如圖7所示，首先通過剛度優化大致確定優化模型，其次通過振動仿真來確定優化結構具體參數［7］。風機框架軸承位置振動一般不超過4 mm/s，經振動測試，結果遠小于該值。因此，優化設計思路定為優化后結構剛度不小于原結構剛度的2.5倍，優化后框架軸承位置振動不超過4 mm/s；風機進風口和出風口面積會影響風機的性能和效率，優化設計方案應盡可能減小進風口和出風口面積的影響［8-9］。

▲圖7 風機框架優化流程

4.2 風機框架優化設計方案

在判斷風機框架結構的缺陷后，經過反復多次結構優化設計并進行振動、性能測試，在考慮質量、成本和工藝控制的同時，對風機框架進行結構優化［10］：除軸承安裝板外，其余全部采用2 mm鍍鋅板折彎設計；框架連接全部采用螺栓連接，可減少噴塑工藝；軸承安裝板為6 mm；軸承安裝部位改為6 mm厚的垂直支撐；軸承安裝部位兩端添加2 mm鍍鋅板斜支撐。

在相同載荷的情況下，通過有限元仿真分析得到優化結構的剛度分析。在90°安裝的工況下優化結構的位移云圖如圖8所示，X方向的最大位移是0.029 mm，計算得到的剛度是172 413 N/mm；Y方向的最大位移是0.043 mm，計算得到的剛度是116 279 N/mm；Z方向的最大位移是0.120 mm，計算得到的剛度是8 333 N/mm。在180°安裝的工況下優化結構的位移云圖如圖9所示，X方向的最大位移是0.084 mm，計算得到的剛度是59 523 N/mm；Y方向的最大位移是0.012 mm，計算得到的剛度是416 666 N/mm；Z方向的最大位移是0.113 mm，計算得到的剛度是8 849 N/mm。

在相同轉速和載荷的情況下，通過有限元仿真分析得到優化結構的振動分析［11］。在90°安裝工況下優化結構的振動仿真如圖10所示，X方向的最大振動速度為0.59 mm/s，Y方向最大振動速度為0.69 mm/s，Z方向最大振動速度為1.99 mm/s，得到的最大位移為0.034 mm。在180°安裝工況下優化結構的振動仿真如圖11所示，X方向最大振動速度為1.41 mm/s，Y方向最大振動速度為0.56 mm/s，Z方向最大振動速度為2.39 mm/s，得到的最大位移為0.033 mm。

▲圖8 90°安裝工況下優化結構的位移云圖

4.3 試驗測試

對優化的風機框架結構進行試驗測試，在轉速700 r/min、90°安裝和180°安裝兩種工況下，分別對軸承安裝支座、支座支撐板及風機安裝固定位置進行X向、Y向和Z向的振動測試，結果見表2和表3。

▲圖9 180°安裝工況下優化結構的位移云圖

對原風機框架和優化后的風機框架結構進行性能測試，測試系統如圖12所示。得到原結構和優化結構的性能測試對比，如圖13和圖14所示。

▲圖10 90°安裝工況下優化結構的振動仿真

▲圖11 180°安裝工況下優化結構的振動仿真

根據反復計算和上述仿真與測試結果，可以得出以下結論：優化方案的振動測試均小于4.6 mm/s，符合JB/T 8689—2014《通風機振動檢測及其限值》標準，滿足結構剛度設計要求；進風口擋風面積對全壓和全壓效率有較大影響，優化方案在保證原進風口擋風面積基本相同的情況下，其性能測試與原結構相比基本一致，滿足風機性能要求［12］。

表2 90°安裝工況下優化結構振動測試結果

▲圖12 風機性能測試系統

表3 180°安裝工況下優化結構振動測試結果

5 結論

以億利達風機有限公司的SYQ710K框架為研究對象，對其進行結構輕量化設計，研究結論如下［13］。

（1）在同時滿足風機結構剛度和性能測試要求的情況下，框架質量從原結構的86 kg降低至優化結構的42 kg，框架質量可降低51.2%，風機整機質量可減小16.9%。

（2）風機框架結構優化方案僅采用2 mm厚鍍鋅板和6 mm厚扁鋼，所有連接位置都采用螺栓連接，可減少噴塑工藝，為企業節省工藝成本。

（3）風機框架構優化采用仿真設計與試驗相結合的方法，試驗證明該方法具有較高的可行性。風機框架輕量化設計流程可為同類結構研制提供一種有效的技術參考。

▲圖13 流量-全壓曲線對比圖

▲圖14 流量-全壓效率曲線對比圖