(湖南聯(lián)城軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著軌道交通裝備輕量化技術(shù)的要求越來越高。葉輪的減重關(guān)系著整個系統(tǒng)的減重，采用碳纖維復(fù)合材料制作葉輪在減重、減震、抗疲勞、耐老化等特性中具有較大的優(yōu)勢。本文按照機車牽引風機的設(shè)計技術(shù)要求來進行，以風機葉輪為設(shè)計對象，探索新的非金屬材料體系及成型工藝，并對設(shè)計模型進行有限元分析及開展試驗測試，使得風機的各項性能指標參數(shù)均符合其技術(shù)規(guī)范要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

葉輪是風機結(jié)構(gòu)的主要運動件，主要由上蓋板、葉片、下蓋板、輪芯及墊片組成，碳纖維復(fù)合材料葉輪采用分體式成型工藝，上下蓋板與葉片單獨模壓成型，然后進行組裝，粘接完成后在接縫位置鋪貼碳纖維預(yù)浸料進行結(jié)構(gòu)補強。分體式成型工藝可降低產(chǎn)品的復(fù)雜性，減少模具的制作成本，防止材料內(nèi)部存在空隙、缺陷，有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。下蓋板與輪芯的連接加裝有不銹鋼墊片通過鉸制孔螺栓固定，避免鉸制孔螺栓直接作用在碳玻纖維下蓋板。葉輪三維模型如圖1所示。

2 仿真分析

下面采用有限元計算方法對碳纖維復(fù)合材料葉輪進行結(jié)構(gòu)強度仿真計算及三維性能仿真計算，葉輪工作時主要受離心力、氣動激振力和振動沖擊載荷等。

圖1 葉輪三維模型圖

對葉輪正常工作轉(zhuǎn)速(3 520 rpm)進行結(jié)構(gòu)力學分析，采用最大應(yīng)力準則和最大應(yīng)變準則來進行碳纖維復(fù)合材料的失效判斷，得出葉輪靜強度的計算結(jié)果，如圖2所示，可以看出葉輪所受最大等效應(yīng)力為78.4 MPa小于碳纖維許用強度298 MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)? 093 με小于碳纖維許用應(yīng)變5 500 με，均出現(xiàn)在葉片根部，其中葉片層合板許用強度及許用應(yīng)變值取自碳纖維試驗數(shù)據(jù)。

(a)應(yīng)力云紋圖(79.4 MPa) (b)應(yīng)變云紋圖(3 093 με)

對當前設(shè)計風機進行三維仿真計算，使用fluent對風機進行流體分析，風機的流場模型如圖3所示，在額定點附近計算該風機的性能曲線，結(jié)果如下：所得到壓力分布和速度矢量圖分別如圖4、圖5所示。風機性能計算結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

圖3 風機的流場模型

圖4 葉輪中心高處壓力分布云圖 圖5 葉輪中心高處速度矢量圖

表1風機性能分析結(jié)果

流量 (m3/s)全壓 (Pa)軸功率(kW)全壓效率(%)實際全壓預(yù)測(Pa)1.74 295.311.7961.934 626.21.84 22212.0762.964 547.21.94 197.412.4364.164 520.72.04 144.412.7365.114 463.72.14 180.613.0767.174 502.6

由三維仿真計算結(jié)果可知，在流量1.8 m3/s時，風機全壓4 222 Pa，需消耗軸功率12.07 kW，風機全壓效率62.96%。在實際風機壓力不需要太大的情況下，也可以適當減小葉輪直徑，降低風機全壓，以減輕電機負荷。

3 碳纖維葉輪實驗

碳纖維葉輪需通過氣動性能試驗、超速試驗、沖擊和振動試驗、加速疲勞實驗等，已驗證其可靠性。

風機空氣動力性能試驗按ISO 5801-2007進行，其氣動性能需滿足技術(shù)要求。還需按JB/T 6445的要求進行葉輪超速實驗，將葉輪裝在試驗設(shè)備上加緊，在額定滿負荷轉(zhuǎn)速(3 520 r/min)的110%的情況下，旋轉(zhuǎn)零件應(yīng)能完好無損，且無機械故障或過度變形。整臺風機裝配應(yīng)以110%的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)1 min。試驗完畢后，應(yīng)對葉輪進行目測檢查。通過與一同設(shè)計的完好樣品進行目測比較，不應(yīng)出現(xiàn)任何嚴重的足以目測查出的扭曲變形。

按照GB/T 21563-2008機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗1類B級設(shè)備的規(guī)定進行沖擊振動試驗，試驗前檢查風機，無電線摩擦、無緊固件松動、無部件老化、無裂紋和斷裂、無過大電氣噪音等現(xiàn)象。試驗前應(yīng)確定試驗裝置在標準規(guī)定頻段之間不發(fā)生共振現(xiàn)象。試驗后對風機進行外觀和機械結(jié)構(gòu)檢查，風機外觀和機械完整性無改變，風機表面無裂縫、無電線摩擦、無緊固件松動、無部件老化、無裂紋和斷裂、無過大電氣噪音等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料制作牽引風機葉輪在減重、減震、抗疲勞、耐老化等特性中具有較大的優(yōu)勢，本文對設(shè)計的碳纖維葉輪其進行結(jié)構(gòu)力學和氣動性能仿真，計算結(jié)果表明該葉輪滿足技術(shù)要求，為后續(xù)碳纖維葉輪的設(shè)計計算提供了有效的方法。