牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)葉輪葉片的斷裂原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

范祖和,馬武福

(中國南車集團(tuán) 資陽機(jī)車有限公司 機(jī)車研發(fā)部,四川資陽641301)

針對(duì)我公司DF8B和CKD7F電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車裝用的部分牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)葉輪的葉片端部斷裂、葉片鉚釘嚴(yán)重拉變形和拉斷的情況,采用有限元分析軟件ANSYS,建立了葉片的三維模型,對(duì)原設(shè)計(jì)方案葉輪的葉片進(jìn)行了有限元計(jì)算和多種方案的比較計(jì)算,提出了通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案,并對(duì)改進(jìn)方案葉輪的葉片強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。

1 葉輪葉片的結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

通風(fēng)機(jī)為離心式前彎型葉片通風(fēng)機(jī),葉輪的工作轉(zhuǎn)速ω=2 680 r/min,葉輪上有52片結(jié)構(gòu)及安裝方式均相同結(jié)構(gòu)的葉片。葉片為圓弧式結(jié)構(gòu),葉片厚度t=1.5 mm,長度L=187 mm,葉型部分與端面的過渡內(nèi)圓角r=3 mm。圖1所示為葉片的端面結(jié)構(gòu)簡圖,葉片兩端面各有上、下兩個(gè)鉚釘孔,通過鉚釘孔用鉚釘將葉片與葉輪的后板、前板相連接,為便于機(jī)械加工成型,葉片兩端面上均有折彎工藝裂縫。圖1中α為葉片在葉輪上的安裝角,R為上鉚釘孔中心至通風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)中心的安裝半徑。葉片的材料牌號(hào)為Q235-A,屈服強(qiáng)度σs≥235 MPa,抗拉強(qiáng)度 σb=375～ 460 MPa,彈性模量E=210 GPa,泊桑比y=0.3,密度 ρ=7 850kg/m3。

圖1 葉片的端面結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),通風(fēng)機(jī)工作時(shí),葉片斷裂多從與葉輪后板相連的后端面上部鉚釘孔開始。

2 計(jì)算模型的建立

在通風(fēng)機(jī)工作時(shí),葉輪葉片承受的載荷主要有葉片正反面的風(fēng)壓差、葉片自身重力、葉輪前后板變形產(chǎn)生的反力、離心慣性力、鉚釘孔處鉚釘?shù)闹Х戳?與慣性力、鉚釘孔處鉚釘?shù)闹Х戳ο啾?前三者對(duì)葉片強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)[1],因此本次分析只考慮離心力及其引起的支反力對(duì)葉片的作用。

以往常規(guī)計(jì)算方法,只考慮葉片所受到的最大彎曲應(yīng)力,方法極為近似,且不能考察如上所述葉片鉚釘孔的受力情況。為使計(jì)算工作經(jīng)濟(jì)可行,采取了以下措施進(jìn)行計(jì)算:(1)根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)、所受載荷特點(diǎn),把葉片簡化為相對(duì)于其中部的對(duì)稱結(jié)構(gòu),以減少計(jì)算量;(2)為準(zhǔn)確模擬葉片端面的受力情況,模型中除考慮加工裂縫處的接觸外,還建立鉚釘模型以考慮葉片鉚釘孔處的接觸;(3)為了對(duì)多種設(shè)計(jì)方案的葉片進(jìn)行比較分析,采用ANSYS軟件的參數(shù)化語言完成實(shí)體建模,再進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成最終的計(jì)算用有限元模型,并且不同方案下的建模、計(jì)算、結(jié)果處理方法一樣,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算模型、計(jì)算方案的程序化、參數(shù)化和對(duì)比性。

圖2為建立的葉片原設(shè)計(jì)方案的有限元計(jì)算模型,模型單元數(shù)為5 928個(gè),其中SOLID45單元5 592個(gè),CONTA173單元192個(gè),TARGE170單元144個(gè),單元節(jié)點(diǎn)數(shù)7 992個(gè)。

3 葉輪原設(shè)計(jì)方案葉片的計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)葉片的材料屬性及葉片在工作過程中處于復(fù)雜的3向應(yīng)力狀態(tài),采用計(jì)算的等效應(yīng)力考察葉片強(qiáng)度。

圖2 原設(shè)計(jì)方案葉輪的葉片有限元計(jì)算模型

圖3為原設(shè)計(jì)方案葉輪的葉片工作應(yīng)力圖,上、下鉚釘孔處的應(yīng)力均超過了葉片材料的抗拉強(qiáng)度σb,應(yīng)力值分別為1 030 MPa、509 MPa,鉚釘孔的大應(yīng)力值是由于鉚釘孔承受葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片的全部離心力所引起的;其他部位以葉片中部下方位置應(yīng)力較大,為335 MPa,該部位由于承受葉片離心力引起的最大彎矩,因而應(yīng)力值較大;另外,葉片過渡圓角加工裂縫處的應(yīng)力也較大,為322 MPa,該部位的應(yīng)力是由于葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片端面上、下兩半互相接觸擠壓時(shí)產(chǎn)生的。

圖3 原設(shè)計(jì)方案葉輪的葉片工作應(yīng)力(Pa)

由葉片應(yīng)力分布情況可知,葉片最容易變形和破壞的位置為鉚釘孔,尤其是上鉚釘孔,這與葉片的破壞情況相符,因此葉片端面的鉚釘孔破壞是由于工作應(yīng)力過高所致;另外,葉片其他部位如葉片中部、過渡圓角加工裂縫處的工作應(yīng)力都超過了葉片屈服強(qiáng)度的下限值,這些部位易發(fā)生塑性變形。因此應(yīng)對(duì)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),降低葉片的工作應(yīng)力,特別是鉚釘孔部位的工作應(yīng)力,以滿足通風(fēng)機(jī)葉片的工作強(qiáng)度要求。

為保證通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能要求,葉片的安裝角α、安裝距離R、工作轉(zhuǎn)速 ω均不可以調(diào)整,能調(diào)整的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)只有葉型部分與端面的過渡內(nèi)圓角r、葉片厚度t。為了作比較,我們計(jì)算了不同過渡圓角r及不同厚度t時(shí)葉片的工作應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1 不同過渡圓角下葉片的工作應(yīng)力計(jì)算值

表2 不同厚度下葉片的工作應(yīng)力計(jì)算值

從表1、表2可知,調(diào)整葉片厚度、葉片過渡圓角對(duì)降低葉片的應(yīng)力作用不大。幾種過渡圓角情況下,原設(shè)計(jì)方案鉚釘孔處的應(yīng)力情況還是最好的;而隨著葉片厚度的增大,葉片離心力增大,葉片鉚釘孔及許多部位的工作應(yīng)力普遍增大。

4 通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

由以上計(jì)算結(jié)果可知,原設(shè)計(jì)方案葉輪的葉片工作應(yīng)力過高,而調(diào)整葉片允許的結(jié)構(gòu)參數(shù)又不能有效地降低其工作應(yīng)力,因此必須對(duì)葉輪作結(jié)構(gòu)改進(jìn)。葉片的工作應(yīng)力主要是由旋轉(zhuǎn)離心力引起的,因此若離心力對(duì)葉片的作用減小,葉片的工作應(yīng)力肯定降低。

為減小離心力作用,對(duì)葉輪作以下改進(jìn):(1)在葉片長度方向中部加焊一強(qiáng)度足夠的圓環(huán)板作為葉輪的中板,使葉片高度的一半與之相連,以降低離心力作用;(2)葉片端部不留折彎工藝裂縫,以避免象原設(shè)計(jì)方案那樣該處出現(xiàn)較高的應(yīng)力值。

經(jīng)計(jì)算,葉輪改進(jìn)方案的葉片工作應(yīng)力如圖4所示。葉輪改進(jìn)方案的葉片應(yīng)力與葉輪原方案的葉片工作應(yīng)力對(duì)比情況如表3所示。

由圖4、表3可知,經(jīng)過改進(jìn)后葉輪的葉片工作應(yīng)力更加均勻,除葉輪中板處葉片中部應(yīng)力比原方案葉輪葉片高外,葉片其余位置工作應(yīng)力大大降低。改進(jìn)方案葉輪葉片的下鉚釘孔處工作應(yīng)力最大為301 MPa,其次是葉輪中板處葉片中部,為299 MPa,兩者均超過了葉片材料屈服強(qiáng)度σs值,在工作時(shí)會(huì)使相應(yīng)位置產(chǎn)生塑性變形。因改進(jìn)方案葉輪的葉片最大工作應(yīng)力仍接近葉片材料抗拉強(qiáng)度σb的下限值,故葉片有一定的強(qiáng)度余量,但余量不大。

圖4 葉輪改進(jìn)方案的葉片工作應(yīng)力(Pa)

表3 原設(shè)計(jì)方案葉輪葉片與改進(jìn)設(shè)計(jì)方案葉輪葉片的工作應(yīng)力

5 結(jié)論

(1)原設(shè)計(jì)方案葉輪的葉片斷裂,是葉片工作應(yīng)力過大造成的。調(diào)整葉片厚度、過渡圓角半徑對(duì)降低葉片工作應(yīng)力作用不大。

(2)葉輪經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后,葉片的工作應(yīng)力大大降低,但仍有部分位置的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度σs值,接近葉片材料抗拉強(qiáng)度σb的下限值,葉片有一定的強(qiáng)度余量。通過改進(jìn)的通風(fēng)機(jī)在2003年我公司出口越南的機(jī)車上運(yùn)用至今,再未出現(xiàn)葉輪的葉片端部斷裂、葉片鉚釘嚴(yán)重拉變形和拉斷的情況。

(3)計(jì)算沒有對(duì)葉片強(qiáng)度考慮一定的安全系數(shù),建議除對(duì)葉輪作設(shè)計(jì)方案改進(jìn)外,葉片最好采用強(qiáng)度較高的材料。

[1]張選清,許德與.離心式與軸流式通風(fēng)機(jī)[M].北京:水利電力出版社,1983.

[2]成心德.離心通風(fēng)機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.