楊夢(mèng)迪/湖北省風(fēng)機(jī)廠有限公司

施 康/武漢地鐵集團(tuán)有限公司

某高轉(zhuǎn)速地鐵風(fēng)機(jī)強(qiáng)度、振動(dòng)數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊夢(mèng)迪/湖北省風(fēng)機(jī)廠有限公司

施 康/武漢地鐵集團(tuán)有限公司

0 引言

地鐵具有高效率、低污染、低能耗和安全快捷等優(yōu)點(diǎn)，成為解決城市交通問題的主要手段。地鐵風(fēng)機(jī)主要用于隧道和站廳站臺(tái)的通風(fēng)排煙工作，其工作的可靠性是地鐵安全運(yùn)營的重要保障。

目前國內(nèi)8號(hào)地鐵風(fēng)機(jī)，一般轉(zhuǎn)速不會(huì)超過1 450r/min，因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速增大，對(duì)風(fēng)機(jī)強(qiáng)度的要求也會(huì)提高，同時(shí)風(fēng)機(jī)的噪聲值和振動(dòng)值都會(huì)增加，超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值。但如果能克服上述問題，將8號(hào)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高到2 900r/min，將大大減小風(fēng)機(jī)選型型號(hào)，節(jié)約成本。本文從葉片強(qiáng)度、模態(tài)、風(fēng)機(jī)振動(dòng)和噪聲等方面對(duì)DTF-8風(fēng)機(jī)進(jìn)行了分析。

1 葉片強(qiáng)度和模態(tài)分析

葉輪作為地鐵風(fēng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)件，其結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)風(fēng)機(jī)至關(guān)重要，不僅影響風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，也關(guān)乎葉輪的強(qiáng)度，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)的使用壽命。結(jié)構(gòu)有限元法充分考慮葉輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化、各種邊界條件及約束，可以有效地對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，清晰地反映葉輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及振動(dòng)類型[1]。本文用ANSYS Workbench中的Static Structural模塊和Modal模塊對(duì)型號(hào)為DTF-8的地鐵風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。

1.1物理模型

地鐵風(fēng)機(jī)葉輪由輪轂和葉片組成，其都為鑄鋁件，材料的物理性能如下表1。相比輪轂，葉片是葉輪中強(qiáng)度較弱的零件，所以本文以葉片為分析對(duì)象。

葉片形狀如圖1所示，采用機(jī)翼型葉片，由葉柄和工作型面兩部分組成，工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為2 900r/min。

表1 葉輪材料的物理性能表

1.2網(wǎng)格劃分

運(yùn)用ANSYSWorkbench自帶網(wǎng)格劃分工具，對(duì)葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用四面體網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格，劃分的結(jié)果顯示網(wǎng)格單元數(shù)為35 916，節(jié)點(diǎn)數(shù)為56 427，網(wǎng)格最大偏斜率為0.907，在可接受范圍內(nèi)，見圖2。

1.3邊界條件和載荷工況的施加

用ANSYSWorkbench中的Static Structural模塊對(duì)葉片進(jìn)行靜力學(xué)分析。在工程實(shí)際中，葉片的葉柄被鎖在輪轂上，其自由度被完全限制，故在葉柄上施加固定約束。葉片強(qiáng)度計(jì)算過程中，氣動(dòng)力對(duì)葉片的強(qiáng)度影響，相比離心力來說小很多，為簡化計(jì)算，在此，將安全系數(shù)適當(dāng)增大，可忽略氣動(dòng)力對(duì)葉片的影響。以葉輪的旋轉(zhuǎn)中心軸為葉片的旋轉(zhuǎn)中心軸，施加2 900r/min的角速度載荷。

1.4葉輪強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)葉片進(jìn)行有限元分析計(jì)算的結(jié)果見圖3和圖4。

從上述分析結(jié)果可以看出，最大變形發(fā)生在葉片頂部兩側(cè)，最大變形量為0.13mm，在可接受范圍內(nèi)；最大等效應(yīng)力在葉片根部，最大等效應(yīng)力為54.5MPa＜310MPa，安全系數(shù)為5.6，在安全范圍內(nèi)。

1.5葉片的模態(tài)分析

葉片轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片的固有頻率和旋轉(zhuǎn)頻率一樣或接近時(shí)，會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。同樣，當(dāng)葉片內(nèi)部流場(chǎng)中形成不穩(wěn)定的氣動(dòng)激振力，也可能引起共振現(xiàn)象。最后造成風(fēng)機(jī)的剛結(jié)構(gòu)損害。

模態(tài)分析用來研究構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，即確定結(jié)構(gòu)體的固有頻率和振型。用ANSYSWorkbench中的Modal模塊計(jì)算葉片前六階固有頻率和前六階振型。

1）固有頻率

對(duì)葉片的前六階固有頻率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 葉片固有頻率表

2）振型

為考察葉片振型的變化，提取了前六階振型圖，見圖5。

從上述可以看出，隨著階數(shù)的增加，振型變化趨向復(fù)雜。

3）氣動(dòng)激振頻率[2]

氣動(dòng)激振力為氣流通過葉片時(shí)對(duì)葉片產(chǎn)生的氣流力，非穩(wěn)態(tài)的氣流力是氣動(dòng)激振力的主要來源。

氣流激振頻率計(jì)算公式如下：

其中，i為頻率階數(shù)，i=1，2，3，……；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；m為葉輪葉片數(shù)目。

將n=2 900r/min，m=8，i=1，2，3，4，5，6帶入上式計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 氣流激振頻率表

4）結(jié)果分析

從表2可以看出，葉片最小固有頻率為一階固有頻率280.45Hz，葉片旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2 900r/min，運(yùn)行頻率為48.3Hz，安全系數(shù)為5.8，所以葉片旋轉(zhuǎn)激勵(lì)不會(huì)引起風(fēng)機(jī)共振。

對(duì)照表2和表3中各階頻率值可知，氣流激振力引起的各階頻率與相應(yīng)的葉片各階固有頻率均不吻合，由此可以判定，氣流激振不會(huì)引起風(fēng)機(jī)共振。

2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)

葉輪在高速旋轉(zhuǎn)的條件下，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，振動(dòng)問題的存在，不僅會(huì)縮短葉輪的使用壽命，影響產(chǎn)品的安全性，而且會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲。引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)的原因有很多，并且比較復(fù)雜，常見的原因有如下幾個(gè)方面：1）轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡；2）剛度不足（結(jié)構(gòu)不合理，連接件松動(dòng)等）；3）動(dòng)靜部分之間碰撞引起的振動(dòng)；4）氣流引起的振動(dòng)（渦流、喘振）；5）軸承問題等[3]。

隨著轉(zhuǎn)速的提高，DTF-8風(fēng)機(jī)振動(dòng)值有明顯增加，并超出了機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8689-1998通風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)及其限值的限值。針對(duì)此風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況，本文主要通過以下方面考慮來降低風(fēng)機(jī)振動(dòng)值。

1）提高轉(zhuǎn)子平衡精度等級(jí)

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是造成風(fēng)機(jī)發(fā)生振動(dòng)的主要原因之一。本文將DTF-8風(fēng)機(jī)的動(dòng)平衡精度等級(jí)由之前的G5.6mm/s提高到G4.0mm/s。

2）增加風(fēng)機(jī)機(jī)殼剛度

將風(fēng)機(jī)機(jī)殼長度加長，由原來的650mm加長到850mm，并在風(fēng)筒外圈，距進(jìn)出口處150mm位置處各加設(shè)一圈加強(qiáng)筋，增加風(fēng)機(jī)質(zhì)量和剛度，整改后的機(jī)殼結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

3 風(fēng)機(jī)噪聲

3.1風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

風(fēng)機(jī)噪聲一般分為機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲兩大類[4]。機(jī)械噪聲主要是因氣動(dòng)不平衡力和機(jī)械不平衡力激振引起風(fēng)機(jī)振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，其相比空氣動(dòng)力噪聲要小很多，所有空氣動(dòng)力噪聲是地鐵風(fēng)機(jī)的主要聲源。本文主要從空氣動(dòng)力方面采取措施以達(dá)到降低噪聲的目的。

空氣動(dòng)力噪聲是在葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，與空氣發(fā)生摩擦或沖擊而產(chǎn)生的。葉片轉(zhuǎn)速越快，空氣與葉片撞擊的頻率越高，噪聲越大。氣動(dòng)噪聲是渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲的疊加。渦流噪聲[5-6]是風(fēng)機(jī)葉片尾緣渦流脫離引起的，根據(jù)附面層理論，當(dāng)氣流流經(jīng)葉片表面時(shí)，由于附面層發(fā)展到一定程度會(huì)產(chǎn)生渦流脫離，這種脫離常在葉片尾緣發(fā)展到非常嚴(yán)重的程度，渦流脫離將引起較大的升力脈動(dòng)，這種脈動(dòng)具有較大的隨機(jī)性質(zhì)，引起的噪聲在頻譜上具有寬帶的性質(zhì)，因此通常稱為寬帶渦流噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲主要由動(dòng)葉周期性地?cái)_動(dòng)空氣及其與靜葉交互作用引起的，對(duì)于動(dòng)葉均勻分布的風(fēng)機(jī)來說，這種相互作用是周期性的，由此產(chǎn)生的噪聲也是周期性的，在噪聲頻譜上表現(xiàn)為離散的峰值，其基頻與風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)頻率相同，因此通常稱為離散峰值噪聲[7]。

3.2降低噪聲的措施

對(duì)于DTF-8地鐵風(fēng)機(jī)來說，噪聲的主要特征是渦流噪聲。本文主要研究如何降低地鐵風(fēng)機(jī)的渦流噪聲。由渦流噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和附面層理論[7]知，控制葉片表面紊流附面層的發(fā)展和渦流的脫離，控制氣流初始紊流度及控制吸力面與壓力面之間的壓差流動(dòng)和間隙回流，可有效降低渦流噪聲。

1）葉輪進(jìn)出口處裝金屬網(wǎng)

在葉片進(jìn)口處裝金屬網(wǎng)，使葉片背面的層流附面層轉(zhuǎn)換成紊流附面層，使葉片背面附面層不分離；在葉片后緣上裝金屬網(wǎng)，可以使網(wǎng)后的氣流速度和壓力梯度很快的均勻化，并且網(wǎng)可以使渦區(qū)范圍減小。所以在葉輪進(jìn)出口處裝金屬網(wǎng)，噪聲一般能降低2～3dB（A）。

2）葉片頂部加旋轉(zhuǎn)環(huán)[7]

在葉片頂部加旋轉(zhuǎn)環(huán)使泄漏流動(dòng)通過旋轉(zhuǎn)環(huán)的間隙，而不在葉柵內(nèi)出現(xiàn)，并且控制了間隙回流的產(chǎn)生。調(diào)整葉片頂部與機(jī)殼的間隙，由原來的4mm調(diào)整為3mm，對(duì)機(jī)殼內(nèi)筒對(duì)應(yīng)葉輪的部位進(jìn)行精加工，并保證圓周間隙均勻。采用此方法，噪聲一般能降低2～3dB（A）。

3）葉片進(jìn)口加設(shè)整流圈

為防止氣流在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口旁形成渦流，在進(jìn)風(fēng)口處機(jī)殼內(nèi)部加設(shè)整流圈，減小因渦流和二次流而產(chǎn)生的噪聲。其降噪效果比較明顯，噪聲一般能降低6～8dB（A），并且風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能也會(huì)相應(yīng)提高。

4）改善葉片表面質(zhì)量

葉片表面粗糙度影響了葉片表面附面層的厚度，進(jìn)而影響了風(fēng)機(jī)噪聲。對(duì)葉片進(jìn)行機(jī)械拋光處理，提高葉片表面粗糙度，減小附面層厚度。將葉輪拋光后，其噪聲能降低1～2dB（A）。

4 試驗(yàn)論證

現(xiàn)對(duì)三臺(tái)DTF-8風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度、振動(dòng)和噪聲測(cè)試，第一臺(tái)DTF-8風(fēng)機(jī)不做任何處理，為常規(guī)的地鐵風(fēng)機(jī)，第二臺(tái)風(fēng)機(jī)按照本文第二部分介紹的提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度，加長機(jī)殼長度，并在機(jī)殼上增設(shè)加強(qiáng)筋的措施進(jìn)行整改。第三臺(tái)風(fēng)機(jī)是在第二臺(tái)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，按照文中3.2中降低噪聲的措施進(jìn)行第二次整改，加裝金屬網(wǎng)、旋轉(zhuǎn)環(huán)和整流圈，并對(duì)葉輪進(jìn)行拋光處理。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)：風(fēng)機(jī)流量45 000m3/h；風(fēng)機(jī)壓力1 200Pa；電機(jī)功率22kW；電機(jī)轉(zhuǎn)速2 900r/min。

4.1強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)第二次整改后的葉輪放入超速試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)進(jìn)行超速試驗(yàn)，按照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6445-2005工業(yè)通風(fēng)機(jī)葉輪超速試驗(yàn)[9]執(zhí)行。

葉輪直徑為800.5mm，在3 200r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)行2min后，觀察葉輪焊縫、葉片等位置均無裂紋，各連接件連接緊固無松動(dòng)，葉片安裝角未超過圖樣的規(guī)定。測(cè)量試驗(yàn)后的葉輪直徑為803.3mm。計(jì)算最大尺寸變形量=，滿足標(biāo)準(zhǔn)中限定的0.5%。所以滿足葉輪的強(qiáng)度要求。

4.2振動(dòng)測(cè)試

按照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8689-1998通風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)及其限值[10]進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)帶減振器測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 整改前后DTF-8風(fēng)機(jī)振動(dòng)值mm/s

JB/T 8689-1998通風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)及其限值中規(guī)定，撓性支承：振動(dòng)速度V≤7.1mm/s，所以，整改后，DTF-8風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速2 900r/min運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)滿足要求。

4.3噪聲測(cè)試

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2888-2008風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法[11]進(jìn)行噪聲的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試條件為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口均未連接管道。測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 DTF-8風(fēng)機(jī)進(jìn)出口A聲級(jí)值表dB（A）

由公式LSA=LA-10Lg（Qp2）+19.8（dB）

式中，LSA為比A聲級(jí)值，dB；LA為A聲級(jí)值，dB（A）；Q為工況點(diǎn)流量值，（m3/min）；p為工況點(diǎn)壓力值，Pa。

將流量值、壓力值和試驗(yàn)測(cè)得的A聲級(jí)值帶入上式進(jìn)行計(jì)算，將比A聲級(jí)的限定值轉(zhuǎn)化為A聲級(jí)的限定值，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 DTF-8風(fēng)機(jī)進(jìn)出口比A聲級(jí)值表dB

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，兩次改進(jìn)對(duì)DTF-8風(fēng)機(jī)的噪聲值有很大的改善，按照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8690-1998工業(yè)通風(fēng)機(jī)噪聲限值[12]中規(guī)定，軸流通風(fēng)機(jī)比A聲級(jí)LSA的限定值為35dB。所以改進(jìn)后的DTF-8風(fēng)機(jī)的噪聲值滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但在限定值邊緣。在噪聲要求更加高的場(chǎng)合，可在上述基礎(chǔ)上，在風(fēng)機(jī)機(jī)殼上涂覆阻尼材料，減小風(fēng)機(jī)振動(dòng)，從而減少機(jī)殼表面因振動(dòng)而向外輻射的噪聲，此方法在航空、航天和機(jī)械等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)論

利用有限元軟件ANSYSWorkbench對(duì)風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行了靜力學(xué)強(qiáng)度分析，并計(jì)算了葉片的前六階固有頻率。對(duì)DTF-8風(fēng)機(jī)進(jìn)行前后兩次整改，整改后的DTF-8風(fēng)機(jī)在2 900r/min轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)和噪聲都有很大的改善，且滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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：本文采用ANSYS Workbench軟件針對(duì)DTF-8風(fēng)機(jī)的葉片在高速運(yùn)行時(shí)存在的安全問題展開強(qiáng)度進(jìn)行分析，并對(duì)葉片進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算給出風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的固有頻率和振型。對(duì)風(fēng)機(jī)的葉輪和機(jī)殼結(jié)構(gòu)實(shí)施改進(jìn)方案，并通過試驗(yàn)論證，改進(jìn)后的DTF-8風(fēng)機(jī)在2 900r/m in轉(zhuǎn)速時(shí)，其振動(dòng)和噪聲的結(jié)果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。驗(yàn)證了采用該分析方法能夠?yàn)楦纳骑L(fēng)機(jī)的安全性能提供依據(jù)。

風(fēng)機(jī)；強(qiáng)度分析；模態(tài)分析；振動(dòng)；噪聲

Sim ulation and Optim ization of a High Speed Metro RotorFan

Yang Meng-di/Hubei Provincial Blower WorksCo.，Ltd
ShiKang/WuhanMetroGroup Co.，Ltd

fan；stress analysis；modal analysis；vibration；noise

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2016）06-0040-06

10.16492/j.fjjs.2016.06.0078

2016-08-30湖北武漢430000

Abstract:A modal analysis of the blades of a DTF-8 fan is performed with the ANSYS workbench to avoid security riskswhen the fan operates at high rotor speed.The eigen frequencies and modes of vibration were computed.An improved design of the structure of the impeller and volute was obtained and verified by experiment results.The DTF-8 fan after improved design vibration and noise levels met the requirements defined in the Chinese National Standard when running at a rotorspeed of2900 r/min.