牽引風機碳纖維葉輪設計

(湖南聯城軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著軌道交通裝備輕量化技術的要求越來越高。葉輪的減重關系著整個系統的減重，采用碳纖維復合材料制作葉輪在減重、減震、抗疲勞、耐老化等特性中具有較大的優勢。本文按照機車牽引風機的設計技術要求來進行，以風機葉輪為設計對象，探索新的非金屬材料體系及成型工藝，并對設計模型進行有限元分析及開展試驗測試，使得風機的各項性能指標參數均符合其技術規范要求。

1 結構設計

葉輪是風機結構的主要運動件，主要由上蓋板、葉片、下蓋板、輪芯及墊片組成，碳纖維復合材料葉輪采用分體式成型工藝，上下蓋板與葉片單獨模壓成型，然后進行組裝，粘接完成后在接縫位置鋪貼碳纖維預浸料進行結構補強。分體式成型工藝可降低產品的復雜性，減少模具的制作成本，防止材料內部存在空隙、缺陷，有利于產品結構的實現。下蓋板與輪芯的連接加裝有不銹鋼墊片通過鉸制孔螺栓固定，避免鉸制孔螺栓直接作用在碳玻纖維下蓋板。葉輪三維模型如圖1所示。

2 仿真分析

下面采用有限元計算方法對碳纖維復合材料葉輪進行結構強度仿真計算及三維性能仿真計算，葉輪工作時主要受離心力、氣動激振力和振動沖擊載荷等。

圖1 葉輪三維模型圖

對葉輪正常工作轉速(3 520 rpm)進行結構力學分析，采用最大應力準則和最大應變準則來進行碳纖維復合材料的失效判斷，得出葉輪靜強度的計算結果，如圖2所示，可以看出葉輪所受最大等效應力為78.4 MPa小于碳纖維許用強度298 MPa，最大等效應變為3 093 με小于碳纖維許用應變5 500 με，均出現在葉片根部，其中葉片層合板許用強度及許用應變值取自碳纖維試驗數據。

(a)應力云紋圖(79.4 MPa) (b)應變云紋圖(3 093 με)

對當前設計風機進行三維仿真計算，使用fluent對風機進行流體分析，風機的流場模型如圖3所示，在額定點附近計算該風機的性能曲線，結果如下：所得到壓力分布和速度矢量圖分別如圖4、圖5所示。風機性能計算結果統計如表1所示。

圖3 風機的流場模型

圖4 葉輪中心高處壓力分布云圖 圖5 葉輪中心高處速度矢量圖

表1風機性能分析結果

流量 (m3/s)全壓 (Pa)軸功率(kW)全壓效率(%)實際全壓預測(Pa)1.74 295.311.7961.934 626.21.84 22212.0762.964 547.21.94 197.412.4364.164 520.72.04 144.412.7365.114 463.72.14 180.613.0767.174 502.6

由三維仿真計算結果可知，在流量1.8 m3/s時，風機全壓4 222 Pa，需消耗軸功率12.07 kW，風機全壓效率62.96%。在實際風機壓力不需要太大的情況下，也可以適當減小葉輪直徑，降低風機全壓，以減輕電機負荷。

3 碳纖維葉輪實驗

碳纖維葉輪需通過氣動性能試驗、超速試驗、沖擊和振動試驗、加速疲勞實驗等，已驗證其可靠性。

風機空氣動力性能試驗按ISO 5801-2007進行，其氣動性能需滿足技術要求。還需按JB/T 6445的要求進行葉輪超速實驗，將葉輪裝在試驗設備上加緊，在額定滿負荷轉速(3 520 r/min)的110%的情況下，旋轉零件應能完好無損，且無機械故障或過度變形。整臺風機裝配應以110%的轉速運轉1 min。試驗完畢后，應對葉輪進行目測檢查。通過與一同設計的完好樣品進行目測比較，不應出現任何嚴重的足以目測查出的扭曲變形。

按照GB/T 21563-2008機車車輛設備沖擊和振動試驗1類B級設備的規定進行沖擊振動試驗，試驗前檢查風機，無電線摩擦、無緊固件松動、無部件老化、無裂紋和斷裂、無過大電氣噪音等現象。試驗前應確定試驗裝置在標準規定頻段之間不發生共振現象。試驗后對風機進行外觀和機械結構檢查，風機外觀和機械完整性無改變，風機表面無裂縫、無電線摩擦、無緊固件松動、無部件老化、無裂紋和斷裂、無過大電氣噪音等現象。

4 結語

碳纖維復合材料制作牽引風機葉輪在減重、減震、抗疲勞、耐老化等特性中具有較大的優勢，本文對設計的碳纖維葉輪其進行結構力學和氣動性能仿真，計算結果表明該葉輪滿足技術要求，為后續碳纖維葉輪的設計計算提供了有效的方法。