離心通風機葉輪應力與振動分析

曹海蘭 李陽 喬世強

摘要：針對離心通風機葉輪實際工作中存在斷裂現象，采用了有限元理論對通風機葉輪進行了應力與振動分析。首先將建立的通風機葉輪模型在ANSYS Workbench中進行靜力學分析，得到葉輪的應力應變分布情況，根據應力分析結果校核其強度是否滿足要求。然后進行振動模態分析，得到葉輪前6階固有頻率和振型;把前6階固有頻率換算為對應的轉速并和葉輪的實際轉速相比，使葉輪的運轉速度遠離臨界速度，避免葉輪因共振對通風機結構的破壞。

關鍵詞：離心通風機葉輪;靜力學分析;模態分析

0? 引言

離心通風機是最為常見的通風裝置，被廣泛應用于機車、礦井、隧道、工廠等眾多領域[1-2]。葉輪作為通風機的重要組成部分，為一個高速旋轉的部件，其受力情況比較復雜;旋轉的葉輪主要受到重力、離心力、氣流激振力的作用，導致葉輪產生較大的形變和應力，當其應力長時間超過材料能承受的許用應力，可能致使葉輪發生開裂甚至飛車現象[3-4]。因此，對葉輪進行強度校核是非常有必要的，其強度和可靠性是風機的安全運行的基礎。此外，葉輪在運轉時，可能會發生共振，這也是設計中必須考慮的因素。通過有限元對葉輪做振動模態分析，從而得到它的固有頻率和振型，進而求得葉輪共振的臨界轉速。使葉輪的運轉速度遠離這一臨界速度，避免葉輪因共振對通風機結構的破壞。研究結果對葉輪及通風機整機優化設計、減少故障具有重要的理論意義。

1? 有限元模型的建立

為考察HXD2B風機的強度和振動是否符合使用要求，運用Catia軟件建立了風機整機及葉輪的三維實體模型，建模過程中，對葉輪中比較容易出現應力集中的葉片與輪盤、葉片與輪蓋交界位置進行圓角處理，避免出現冗余的計算結果，使計算結果更加準確。然后將三維模型導入到ANSYS Workbench中，采用SOLID187實體單元進行網格劃分，模型網格單元尺寸設置為15mm，劃分之后，網格節點總數為53176個，單元總數為13506個。

2? 通風機葉輪的靜力學分析

將上述建立的有限元模型導入到ANSYS Workbench中進行靜力學分析。在ANSYS Workbench項目管理區中搭建模塊分析流程圖，并對有限元模型定義邊界條件和施加載荷，設置過程如下：

①定義材料屬性：風機材料為S355，材料的彈性模量為210GPa，密度取7860kg/m3，泊松比為0.3，屈服強度為345MPa，抗拉強度為490MPa。②輪轂內表面全約束，即采用Fixed Support;③葉輪工作轉速按額定轉速（2840rpm）進行分析，只考慮離心力的作用，葉輪軸線為旋轉軸，旋轉方向為順時針方向（從氣流進口方向看）。通過求解得到有限元靜態分析結果，葉輪Von-Mises應力云圖如圖1，變形云圖如圖2所示。

從圖1可以看出：最大von-Mises應力出現在葉片和輪蓋連接并靠近旋轉中心的位置，最大von-Mises等效應力為185.81MPa;從圖2可以看出：葉片最大變形出現在葉片端部，最大變形量為0.22787mm。屈服安全系數（屈服極限與峰值應力之比）為1.86，斷裂安全系數（強度極限與峰值應力之比）為2.64。因此，通風機結構的強度滿足實際工作要求。

3? 葉輪振動分析

3.1 模態分析基本理論

研究結構的振動特性常常采用模態分析，得到結構每個模態的固有振型、固有頻率和阻尼比，模態分析是譜響應分析、隨機振動分析的基礎[5]。葉片和葉輪振動通常是通風機葉片發生破壞事故的主要原因，為避免事故，采取的做法為不使葉片和葉輪低階固有頻率與干擾頻率重合，并且保證一定的頻率避開率[6-7]。

通風機的干擾頻率與通風機的轉速有關，計算公式為：

通風機的干擾頻率與通風機的轉速有關，葉片和葉輪振動頻率避開率可表示為：

對于不同的i值，通風機手冊上規定的最小頻率避開率見表1。

i≥7時，傳統上一般都認為共振幅較小，危險不大，因此一般可以不考慮高階頻率避開率[8]。

3.2 模態結果及分析

葉輪模態分析的前6階固有頻率見表2，模態振型見圖3。計算得到葉輪低階振動的頻率避開率，見表3。由此可見，葉輪各階的頻率避開率計算值均滿足要求。

4? 結論

采用有限元分析軟件ANSYS對離心通風機進行應力與振動分析、計算和研究，得到了應力應變分布云圖和模態固有頻率和模態振型，同時確定了葉輪最大主應力出現在葉片上，靠近輪蓋的上端位置，最大主應力值為170.41MPa，原因是此部位是很可能產生應力集中的位置，其他大部分的應力較小。并根據分析結果提出了減小應力的方案，然后進行模態分析，得到葉輪前6階固有頻率和振型;把前6階固有頻率換算為對應的轉速并和葉輪的實際轉速相比，使葉輪的運轉速度遠離臨界速度，避免葉輪因共振對通風機結構的破壞。研究內容及結果對離心通風機的結構改進、減少故障，具有重要的參考價值，并為今后離心通風機葉輪的應力與振動研究提供了一種新的思路和方法。

參考文獻：

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[3]胡麗剛，王志軍.淺談用ANSYS進行離心通風機葉輪強度分析[J].工業設計，2017（01）：181，183.

[4]石沛林，張櫓，李朋超.基于Workbench的叉車車架有限元分析[J].煤礦機械，2015，36（12）：237-239.

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[7]李水水，李向東，范元勛，等.基于ANSYS的起重機吊鉤優化設計[J].機械設計與制造，2012（4）：37-38.

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