可調(diào)式葉片對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉輪振動(dòng)研究

李建軍

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司,山西 柳林 033300）

引言

在煤礦工程中，通風(fēng)至關(guān)重要，一旦通風(fēng)不良，瓦斯含量會(huì)急劇增大，易造成重大生產(chǎn)安全事故。對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)就是用來保證良好通風(fēng)環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)的一個(gè)葉輪裝在另一個(gè)葉輪的后面，而葉輪的轉(zhuǎn)向彼此相反，使得風(fēng)流沿軸向流出，提高了風(fēng)機(jī)效率。在巷道掘進(jìn)中，主要采用的是局部通風(fēng)機(jī)，但由于空間較小，此類風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，阻礙布置安裝其動(dòng)葉調(diào)節(jié)裝置。為了解決此問題，設(shè)計(jì)一種新型的風(fēng)機(jī)葉輪，可靈活地調(diào)節(jié)角度，隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)狀況，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、整體穩(wěn)定型好、安裝方便、節(jié)能高效，具有良好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和足夠大的通風(fēng)能力。

1 葉片可調(diào)式風(fēng)機(jī)葉輪

葉片可調(diào)葉輪主要依靠葉片、葉輪、輪轂三部分的協(xié)同工作，其中，葉輪在固定點(diǎn)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行能量傳遞以機(jī)械傳動(dòng)的方式運(yùn)行。葉輪上的風(fēng)葉設(shè)置在輪轂上，以中心旋轉(zhuǎn)方式轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)平移盤移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)葉一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這就使葉片的安裝角度發(fā)生改變，風(fēng)量和風(fēng)壓也會(huì)即時(shí)改變。這種靈活的設(shè)計(jì)，解決了采用機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)雙級(jí)葉片角時(shí)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同步性差的問題，同時(shí)也降低成本，適應(yīng)實(shí)際需求。

2 葉輪模態(tài)試驗(yàn)

葉輪模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)由力錘、三向加速度傳感器和SCADAS多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備組成。其中，SCADAS系統(tǒng)是由LMS公司生產(chǎn)，保證高性能、高效率收集測(cè)試數(shù)據(jù)，包括聲音、位移、轉(zhuǎn)速、扭矩等不同的信號(hào)。同時(shí)與LMSTest.Lab軟件無縫集成，可以快速完成所有的測(cè)試設(shè)置，高效地完成測(cè)試任務(wù)。

在葉輪自由模態(tài)試驗(yàn)中，借助錘擊法，移動(dòng)傳感器測(cè)量，獲得FRF矩陣中完整的一列。具體做法為，使用力錘敲擊，使葉輪產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)，進(jìn)而測(cè)試其不同自由狀態(tài)下的模態(tài)參數(shù)。另外，在輪轂軸心處用軟繩將葉輪豎直懸掛，來進(jìn)行錘擊。此做法是由于葉輪輪轂軸心處的振幅很小，應(yīng)盡量免除外界應(yīng)力等因素的干擾。

然后，應(yīng)用LMS模態(tài)測(cè)試軟件，對(duì)2級(jí)葉輪進(jìn)行建模。將復(fù)雜的葉片模擬為二維結(jié)構(gòu)，采集多個(gè)測(cè)量點(diǎn)結(jié)合，尤其特殊部位的點(diǎn)，完整地還原葉片真實(shí)結(jié)構(gòu)。根據(jù)建模需求，在1級(jí)葉輪、2級(jí)葉輪上，分別設(shè)置了56個(gè)、40個(gè)測(cè)點(diǎn)，均勻地分布于葉片和輪轂上，最大限度地保證精確度，使傳感器收集到葉輪各方位的信號(hào)。此外，本試驗(yàn)在2級(jí)葉輪分別選取了3個(gè)力錘敲擊點(diǎn)，組合分析其模態(tài)結(jié)果，避免在試驗(yàn)過程中，因僅有1個(gè)敲擊點(diǎn)，不能確定全部模態(tài)情況的發(fā)生，綜合保證模態(tài)測(cè)試結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性。敲擊點(diǎn)位置及傳感器如圖1。

圖1 傳感器及敲擊點(diǎn)位置

為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，首先對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通道設(shè)置。使13個(gè)通道相互連通，通道16為力錘（參考點(diǎn)）所在通道，其余的12個(gè)通道分別為1號(hào)測(cè)點(diǎn)的 x、y、z，2 號(hào)測(cè)點(diǎn)的 x、y、z，以此類推，注意將通道與測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。試驗(yàn)裝置滿足互易性檢測(cè)、線性度檢測(cè)和數(shù)據(jù)一次性檢測(cè)。

另外，須對(duì)采集的數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的通道，保證其路徑可循，路徑相通。總計(jì)設(shè)置13個(gè)通道，可分別命名。其中，通道6為參考點(diǎn)通道，其余的12個(gè)通道分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)等12個(gè)測(cè)點(diǎn)的三維軸向（x、y、z），注意將通道與測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。

當(dāng)給與一定程度的激勵(lì)時(shí)，試驗(yàn)的葉輪對(duì)振動(dòng)響應(yīng)及其靈敏，而且極易出現(xiàn)二次連擊現(xiàn)象，這會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果的混淆。為解決此問題，在測(cè)試過程中放棄自動(dòng)保存，當(dāng)出現(xiàn)二次連擊的試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，及時(shí)刪除，僅保留第一次結(jié)果，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。2級(jí)葉輪平行測(cè)得多次試驗(yàn)結(jié)果后，對(duì)比選擇接近真實(shí)情況的較為優(yōu)異的兩組數(shù)據(jù)。2級(jí)葉輪的六階自由模態(tài)參數(shù)見表1。

表1 2級(jí)葉輪自由模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性試驗(yàn)

風(fēng)機(jī)的振動(dòng)水平直接反映了風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，風(fēng)機(jī)振動(dòng)不僅會(huì)影響風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)，還會(huì)影響風(fēng)機(jī)的自身結(jié)構(gòu)。小程度的振動(dòng)，是機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的正常現(xiàn)象；如果發(fā)生長時(shí)間大幅振動(dòng)，就會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)造成不同程度的損壞，影響其正常工作效率。風(fēng)機(jī)振動(dòng)一般可分為軸承座振動(dòng)、轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速引起的振動(dòng)、風(fēng)機(jī)風(fēng)道振動(dòng)。

風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性試驗(yàn)主要包括三向傳感器、B型試驗(yàn)裝置、LMS振動(dòng)、模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)等設(shè)備。對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)主要安裝在進(jìn)風(fēng)的巷道中，作壓入式通風(fēng)。B型試驗(yàn)裝置示意圖如圖2。

圖2 B型試驗(yàn)裝置示意圖

三向傳感器設(shè)置在4個(gè)測(cè)點(diǎn)處，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量橫向和軸向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，主要在外風(fēng)筒的出入口及2級(jí)葉輪位置。風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，與旋風(fēng)機(jī)出口與錐形節(jié)流器之間的距離相關(guān)。通過改變不同的距離，可獲得不同情況下的多組振動(dòng)信號(hào)。本次測(cè)試總計(jì)5種工況，分別是2個(gè)大流量工況、2個(gè)小流量工況和1個(gè)效率最高工況，轉(zhuǎn)速都一致（2 900 r/min）。5個(gè)工況的具體參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)工況

在同一轉(zhuǎn)速下，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫向和軸向的振動(dòng)數(shù)據(jù)相近，因此，從中挑選工況1、工況5，這2個(gè)作為典型情況，具體分析其振動(dòng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。由風(fēng)機(jī)的基頻計(jì)算可得出，前3組試驗(yàn)所測(cè)振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)與風(fēng)機(jī)的前三階基頻數(shù)據(jù)相近，根據(jù)一致性可推斷風(fēng)機(jī)的自身結(jié)構(gòu)是造成風(fēng)機(jī)低頻振動(dòng)的主要原因。另外，2個(gè)工況下第2級(jí)葉輪處的振動(dòng)均明顯大于其他3處。造成此現(xiàn)象的原因是氣流經(jīng)由集流器進(jìn)入風(fēng)筒，氣流方向在1級(jí)葉輪處出現(xiàn)調(diào)整；接著，進(jìn)入第2級(jí)葉輪時(shí)，由于葉輪不停的旋轉(zhuǎn)，氣流與葉輪角度變換較大，隨之產(chǎn)生的沖擊力較大，所以第2級(jí)葉輪處的振動(dòng)比1級(jí)葉輪處的振動(dòng)大。氣流脈動(dòng)也與流量密切相關(guān)，當(dāng)處于小流量工況時(shí)，第2級(jí)葉輪處的振動(dòng)幅值信號(hào)是在較寬的頻率段內(nèi)持續(xù)高幅振動(dòng)，脈沖變化不強(qiáng)烈；當(dāng)處于大流量工況時(shí)，其主要為高幅離散脈沖信號(hào)。通過對(duì)比兩種工況，工況5的葉輪振幅比工況1大，導(dǎo)致流量呈遞減趨勢(shì)，內(nèi)部流量不斷積累，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)部的風(fēng)壓越來越大，使得風(fēng)機(jī)整體波動(dòng)明顯，振幅變大。

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)的葉片可調(diào)式風(fēng)機(jī)葉輪可靈活地改變?nèi)~片安裝角度，實(shí)時(shí)滿足工況需求，通風(fēng)能力強(qiáng)，運(yùn)行成本低。

2）利用LMS Test.Lab測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)的2級(jí)葉輪進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，能有效的掌握分析風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，避免共振干擾。

3）風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性試驗(yàn)可得出，風(fēng)機(jī)的低頻振動(dòng)主要是由自身結(jié)構(gòu)引起的，高頻振動(dòng)主要是由氣流的壓力脈動(dòng)造成。第2級(jí)葉輪處的振動(dòng)幅度較大，因此為減輕振動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)的損壞影響，必須著重合理設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)2級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)。