基于Ansys的礦用局部通風(fēng)機葉輪模態(tài)分析

摘 要：葉輪是礦用局部通風(fēng)機的核心部件，其可靠性對設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性有重要影響。文章創(chuàng)建了某礦用局部通風(fēng)機葉輪的三維模型，并運用Ansys Workbench平臺對其進行模態(tài)分析，得到其前4階固有頻率和振型，為防止共振以及后續(xù)動態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦用局部通風(fēng)機；葉輪；模態(tài)分析；Ansys Workbench

1 概述

軸流通風(fēng)機是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備，向礦井輸送新鮮空氣，沖淡有害氣體并排出粉塵。軸流通風(fēng)機一旦出現(xiàn)故障，輕則影響正常生產(chǎn)，重則引發(fā)瓦斯爆炸等安全事故。因此，軸流通風(fēng)機的安全性和穩(wěn)定性對礦山安全生產(chǎn)十分重要。

通過對礦用局部通風(fēng)機的事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，葉片斷裂是發(fā)生事故的主要原因。當(dāng)葉輪的固有頻率與激振頻率相吻合時，葉輪處于共振狀態(tài)，使得葉片發(fā)生斷裂的概率大大增加。因此，對葉輪的振動特性進行分析非常重要。

文章創(chuàng)建了一種礦用局部通風(fēng)機葉輪的三維模型，并借助Ansys Workbench平臺，運用循環(huán)對稱分析的方法，對其進行模態(tài)分析，得到其前4階固有頻率和振型，為防止共振以及后續(xù)動態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 模型處理

本礦用局部通風(fēng)機葉輪由輪轂和14個葉片組成，輪轂外徑為240mm，輪轂厚度為110mm，葉輪外徑為400mm，安裝角度為51.5°，葉片頂部弦長與列線夾角為33.1°，頂部弦長為101.1mm，根部弦長為127.3mm，通風(fēng)機葉輪三維模型如圖1所示。

文章針對通風(fēng)機葉輪具有循環(huán)對稱的特點，采用循環(huán)對稱分析的方式對葉輪的一個基本循環(huán)扇區(qū)進行模態(tài)分析，進而得到整個葉輪模型的模態(tài)分析結(jié)果，并使計算量大幅降低。在保留完整單個葉片模型的前提下，應(yīng)用Pro/E軟件將葉輪分解成均勻的十四份，從而得到基本循環(huán)扇區(qū)模型。

將基本循環(huán)扇區(qū)模型以.stp格式導(dǎo)入Ansys Workbench，并在Engineering Data中依據(jù)表1設(shè)置其工程數(shù)據(jù)。

為使后續(xù)網(wǎng)格劃分更為合理，在Design Modeler中使用slice命令將模型分割為葉片和輪轂兩個部分，并使用from new part命令將其合并為一個多體，使其節(jié)點共享。

為達到通過分析葉輪基本循環(huán)扇區(qū)模型得到整個葉輪模型模態(tài)結(jié)果的目的，需在Mechanical中創(chuàng)建Cydic Region對象，選取葉輪基本循環(huán)扇區(qū)模型的一側(cè)剖面設(shè)為High Boundary，將其另一側(cè)剖面設(shè)為Low Boundary，并創(chuàng)建局部圓柱坐標系。

輪轂部分網(wǎng)格劃分方法選擇Tetrahedrons（四面體網(wǎng)格），平均單元邊長設(shè)為10mm；葉片部分網(wǎng)格劃分方法選擇Sweep（掃掠網(wǎng)格），平均單元邊長設(shè)為5mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，其節(jié)點數(shù)為5974個，單元數(shù)為1519個。

3 約束與求解

葉輪通過鍵槽與電機主軸剛性連接，并通過主軸的定位軸肩和螺母限制葉輪兩側(cè)的軸向位移。在分析過程中忽略系統(tǒng)阻尼對振動特性的影響，并由于在Ansys模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束，其他載荷將被忽略，因此，對于本例應(yīng)在輪轂內(nèi)孔及其兩端面處分別設(shè)置Frictionless Support（無摩擦接觸）約束。

根據(jù)振動理論，系統(tǒng)振動過程中低階模態(tài)起主要作用，高階模態(tài)對響應(yīng)的貢獻很小，且衰減很快。因此，本系統(tǒng)求解前4階模態(tài)結(jié)果。

4 結(jié)果分析

通過模態(tài)分析得到葉輪前4階的固有頻率和最大振幅，如表2所示。

該通風(fēng)機工作轉(zhuǎn)速為1450r/min，計算得出激振頻率為338.33Hz。

根據(jù)工程慣用標準，認為當(dāng)固有頻率在激振頻率的85%～115%范圍內(nèi)時將發(fā)生共振。因此，對于該系統(tǒng)，其各階固有頻率應(yīng)避開287.58Hz～389.08Hz區(qū)間。與表2對比可知，該葉輪各階固有頻率均大于該區(qū)間上限，說明葉輪設(shè)計合理，不會發(fā)生共振。

5 結(jié)束語

文章創(chuàng)建了某礦用局部通風(fēng)機葉輪的三維模型，并在Ansys Workbench平臺上運用循環(huán)對稱分析的方法對其進行了模態(tài)分析，得到了葉輪前4階的固有頻率和振型。通過對其各階固有頻率與激振頻率對比得出，該葉輪設(shè)計合理，不會發(fā)生共振。

本次有限元分析為預(yù)估系統(tǒng)在外力作用下的響應(yīng)提供了模態(tài)參數(shù)，為葉輪的動態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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作者簡介：熊杰（1984-），男，江西贛州人，碩士，研究領(lǐng)域：機電工程。