离心通风机叶轮应力与振动分析

曹海兰 李阳 乔世强

摘要：针对离心通风机叶轮实际工作中存在断裂现象，采用了有限元理论对通风机叶轮进行了应力与振动分析。首先将建立的通风机叶轮模型在ANSYS Workbench中进行静力学分析，得到叶轮的应力应变分布情况，根据应力分析结果校核其强度是否满足要求。然后进行振动模态分析，得到叶轮前6阶固有频率和振型;把前6阶固有频率换算为对应的转速并和叶轮的实际转速相比，使叶轮的运转速度远离临界速度，避免叶轮因共振对通风机结构的破坏。

关键词：离心通风机叶轮;静力学分析;模态分析

0  引言

离心通风机是最为常见的通风装置，被广泛应用于机车、矿井、隧道、工厂等众多领域[1-2]。叶轮作为通风机的重要组成部分，为一个高速旋转的部件，其受力情况比较复杂;旋转的叶轮主要受到重力、离心力、气流激振力的作用，导致叶轮产生较大的形变和应力，当其应力长时间超过材料能承受的许用应力，可能致使叶轮发生开裂甚至飞车现象[3-4]。因此，对叶轮进行强度校核是非常有必要的，其强度和可靠性是风机的安全运行的基础。此外，叶轮在运转时，可能会发生共振，这也是设计中必须考虑的因素。通过有限元对叶轮做振动模态分析，从而得到它的固有频率和振型，进而求得叶轮共振的临界转速。使叶轮的运转速度远离这一临界速度，避免叶轮因共振对通风机结构的破坏。研究结果对叶轮及通风机整机优化设计、减少故障具有重要的理论意义。

1  有限元模型的建立

为考察HXD2B风机的强度和振动是否符合使用要求，运用Catia软件建立了风机整机及叶轮的三维实体模型，建模过程中，对叶轮中比较容易出现应力集中的叶片与轮盘、叶片与轮盖交界位置进行圆角处理，避免出现冗余的计算结果，使计算结果更加准确。然后将三维模型导入到ANSYS Workbench中，采用SOLID187实体单元进行网格划分，模型网格单元尺寸设置为15mm，划分之后，网格节点总数为53176个，单元总数为13506个。

2  通风机叶轮的静力学分析

将上述建立的有限元模型导入到ANSYS Workbench中进行静力学分析。在ANSYS Workbench项目管理区中搭建模块分析流程图，并对有限元模型定义边界条件和施加载荷，设置过程如下：

①定义材料属性：风机材料为S355，材料的弹性模量为210GPa，密度取7860kg/m3，泊松比为0.3，屈服强度为345MPa，抗拉强度为490MPa。②轮毂内表面全约束，即采用Fixed Support;③叶轮工作转速按额定转速（2840rpm）进行分析，只考虑离心力的作用，叶轮轴线为旋转轴，旋转方向为顺时针方向（从气流进口方向看）。通过求解得到有限元静态分析结果，叶轮Von-Mises应力云图如图1，变形云图如图2所示。

从图1可以看出：最大von-Mises应力出现在叶片和轮盖连接并靠近旋转中心的位置，最大von-Mises等效应力为185.81MPa;从图2可以看出：叶片最大变形出现在叶片端部，最大变形量为0.22787mm。屈服安全系数（屈服极限与峰值应力之比）为1.86，断裂安全系数（强度极限与峰值应力之比）为2.64。因此，通风机结构的强度满足实际工作要求。

3  叶轮振动分析

3.1 模态分析基本理论

研究结构的振动特性常常采用模态分析，得到结构每个模态的固有振型、固有频率和阻尼比，模态分析是谱响应分析、随机振动分析的基础[5]。叶片和叶轮振动通常是通风机叶片发生破坏事故的主要原因，为避免事故，采取的做法为不使叶片和叶轮低阶固有频率与干扰频率重合，并且保证一定的频率避开率[6-7]。

通风机的干扰频率与通风机的转速有关，计算公式为：

通风机的干扰频率与通风机的转速有关，叶片和叶轮振动频率避开率可表示为：

对于不同的i值，通风机手册上规定的最小频率避开率见表1。

i≥7时，传统上一般都认为共振幅较小，危险不大，因此一般可以不考虑高阶频率避开率[8]。

3.2 模态结果及分析

叶轮模态分析的前6阶固有频率见表2，模态振型见图3。计算得到叶轮低阶振动的频率避开率，见表3。由此可见，叶轮各阶的频率避开率计算值均满足要求。

4  结论

采用有限元分析软件ANSYS对离心通风机进行应力与振动分析、计算和研究，得到了应力应变分布云图和模态固有频率和模态振型，同时确定了叶轮最大主应力出现在叶片上，靠近轮盖的上端位置，最大主应力值为170.41MPa，原因是此部位是很可能产生应力集中的位置，其他大部分的应力较小。并根据分析结果提出了减小应力的方案，然后进行模态分析，得到叶轮前6阶固有频率和振型;把前6阶固有频率换算为对应的转速并和叶轮的实际转速相比，使叶轮的运转速度远离临界速度，避免叶轮因共振对通风机结构的破坏。研究内容及结果对离心通风机的结构改进、减少故障，具有重要的参考价值，并为今后离心通风机叶轮的应力与振动研究提供了一种新的思路和方法。

参考文献：

[1]锅彦娣，李振纲.基于ANSYS的起重吊钩强度分析[J].煤矿机械，2016，37（12）：45-46.

[2]丁可金.离心通风机气动特性与振动量级关系研究[D].中国舰船研究院，2017.

[3]胡丽刚，王志军.浅谈用ANSYS进行离心通风机叶轮强度分析[J].工业设计，2017（01）：181，183.

[4]石沛林，张橹，李朋超.基于Workbench的叉车车架有限元分析[J].煤矿机械，2015，36（12）：237-239.

[5]李宁，王正华，孙海洋.MBJ-130型截煤机机架有限元分析[J].煤矿机械，2015，36（11）：145-146.

[6]黃忠文，王培，韩海燕.离心通风机叶轮的有限元建模与应力分析[J].流体机械，2015，43（10）：27-30.

[7]李水水，李向东，范元勋，等.基于ANSYS的起重机吊钩优化设计[J].机械设计与制造，2012（4）：37-38.

[8]李水良，高文杰，毛鹏军.基于AWE吊钩参数优化研究[J].机械设计与制造，2011（12）：100-102.