基于Workbench的T35型礦用通風機葉片動頻仿真分析

宋鵬飛

（山西焦煤西山煤電集團有限公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

通風機具有高效、噪音小、結構緊湊等特點，被廣泛應用于隧道、煤礦礦井、建筑、工廠車間等需要大量空氣通入的環境。隨著科學的進步，通風機也發展出了許多種類型適用于不同的環境，同時通風機的結構也日趨復雜，為了保障通風機的使用壽命以及可靠性，需要對其結構進行深入研究。

通風機是一種大型回轉機械，通常情況下通風機的故障主要源自葉片，主要故障類型包括葉片與輪轂連接處產生裂紋或者是葉片發生折斷。高速旋轉可能會導致葉片與通風機輪轂產生共振，故障源之間存在較為復雜的耦合關系。本文基于Workbench建立了葉片通風機的有限元模型，模擬分析了葉片的固有頻率，為研究葉片結構與通風機故障頻率之間關系研究提供參考。

1 T35型礦用通風機簡介

軸流式通風機使用廣泛，之所以稱之為“軸流式”是因為空氣流體運動方向與風機主軸相平行，主要適用于流量較高而壓力相對較低的場景。一般軸流式通風機結構簡單，相對可靠性好，但是由于葉片受到載荷情況復雜，常發生故障[1]。

圖1所示為本文研究的對象即T35型礦用通風機。該型礦用通風機主要由葉輪、機殼、電機、集流器、整流罩、擴散器組成。電機直接驅動葉輪，葉輪的旋轉帶動葉片旋轉，從而實現對空氣流體的做功。葉片的主要功能是對流體進行加壓，在真空期通過整流罩進行機內加壓完成，然后排出氣體。擴壓器的作用是回收出口動壓并將其轉變為靜壓，葉片是主要承載部位[2]。

圖1 T35型礦用通風機

T35礦用通風機的主要技術指標如表1所示，主要包括通風機風量、風壓、轉速等性能參數，具體幾何參數在此不再贅述，依據通風機的工程圖紙建立通風機的三圍模型[3]。

表1 T35通風機主要技術指標

2 流固耦合分析基礎

隨著計算機計算與數值分析計算的發展，使得應用計算機計算流固耦合分析成為可能，流固耦合是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）和固體力學（Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而產生的一種新的力學研究方法，主要用以解決固體與流體相互作用產生的力傳遞[4]。

借助有限元理論實現應用計算機解決流固耦合的問題，主要途徑是將流體分析計算的結果（載荷）傳遞給固體結構分析，該過程同樣遵循基本的一些守恒原則，是高效、用途廣泛的計算工具。

本文中計算了葉片在額定功率載荷工況下的四階固有頻率，Workbench中的動力學基本公式可以表示為式（1）[5]：

式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；F（t）為系統所受外力。

在計算模型的模態時，[C]一般可以忽略，在計算機求解過程中，通常需要進行兩次迭代。首先是線性靜態分析，即[K]{x0}={F}，第二步迭代需要考慮在靜態分析基礎上考慮硬化矩陣[S]，然后求解結構的模態，在此不再對軟件計算分析過程做過多說明。

3 仿真模型建立

首先，利用Solid Works三維軟件，建立通風機的三維實體模型，以通用STP格式導入Workbench。在進行流固單向耦合分析之前，需要創建通風機內的氣流流道。在 Workbench中應用“Fill”和“Enclosure”這兩個特征進行創建，建立了一個1 000×1 000×2 000的立方體流動通道，通風機模型置于流體通道正中央[6]。

接下來進行模型網格劃分，對幾何體所有固體部件進行抑制，選擇流體域對模型進行布爾操作，流體域的網格與幾何實體的網格單獨劃分。選擇所有流體域，選擇網格劃分方法，插入Method選項，點擊Generate Mesh，對流體域劃分一共生成節點4 184個，流體結構單元168 713個。

然后進行CFX邊界處理，圖2所示為CFX前處理設置。其中，設置流體域的材料為Air at 25℃，空氣壓力設置為1 atm。對于流體域設立邊界條件時，除進出口兩側外均設定為Wall（墻）。

圖2 CFX前處理設置

4 仿真結果分析

分別計算了通風機在額定功率的載荷工況下葉片壓力分布情況和葉片在該工況下4階固有頻率和振型。已知，在進行有預應力的模態分析時，首先在靜力學分析模塊中約束流體部件，然后利用CFX計算葉片上的壓力載荷（Imported Load）。基于此方法，計算得到通風機葉片在流體作用下的表面壓力，如圖3所示。

求解葉片固有頻率，對該分析模型插入固定約束，計算葉片的前四階模態，提取計算結果，如圖4所示，列出了葉片的第一階和第四階模型的計算結果。第一至四階固有頻率計算結果為155.41 Hz、524.16 Hz、864.92 Hz、1 332.32 Hz。葉片的固有頻率對于通風機結構設計、可靠性研究具有重要意義。

圖3 通風機葉片表面壓力分布

圖4 葉片模態示意圖

5 結論

利用Workbench求解了T35型礦用通風機在電機額定功率載荷工況下空氣對通風機壓力作用，并求解了葉片的固有振動頻率。通風機屬于高速旋轉機械，其軸的旋轉可能與葉片的固有頻率重合，影響其使用壽命。計算葉片的固有頻率對通風機的結構設計和通風機的優化改進提供了積極參考。