牽引風(fēng)機(jī)碳纖維葉輪設(shè)計(jì)

(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(lái)越高。葉輪的減重關(guān)系著整個(gè)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(shì)。本文按照機(jī)車牽引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求來(lái)進(jìn)行，以風(fēng)機(jī)葉輪為設(shè)計(jì)對(duì)象，探索新的非金屬材料體系及成型工藝，并對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元分析及開展試驗(yàn)測(cè)試，使得風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)均符合其技術(shù)規(guī)范要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉輪是風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)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(dú)模壓成型，然后進(jìn)行組裝，粘接完成后在接縫位置鋪貼碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。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(shí)現(xiàn)。下蓋板與輪芯的連接加裝有不銹鋼墊片通過(guò)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(jì)算方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算及三維性能仿真計(jì)算，葉輪工作時(shí)主要受離心力、氣動(dòng)激振力和振動(dòng)沖擊載荷等。

圖1 葉輪三維模型圖

對(duì)葉輪正常工作轉(zhuǎn)速(3 520 rpm)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則和最大應(yīng)變準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的失效判斷，得出葉輪靜強(qiáng)度的計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度及許用應(yīng)變值取自碳纖維試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(a)應(yīng)力云紋圖(79.4 MPa) (b)應(yīng)變?cè)萍y圖(3 093 με)

對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維仿真計(jì)算，使用fluent對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行流體分析，風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)模型如圖3所示，在額定點(diǎn)附近計(jì)算該風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)性能計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖3 風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)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(fēng)機(jī)性能分析結(jié)果

流量 (m3/s)全壓 (Pa)軸功率(kW)全壓效率(%)實(shí)際全壓預(yù)測(cè)(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(jì)算結(jié)果可知，在流量1.8 m3/s時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓4 222 Pa，需消耗軸功率12.07 kW，風(fēng)機(jī)全壓效率62.96%。在實(shí)際風(fēng)機(jī)壓力不需要太大的情況下，也可以適當(dāng)減小葉輪直徑，降低風(fēng)機(jī)全壓，以減輕電機(jī)負(fù)荷。

3 碳纖維葉輪實(shí)驗(yàn)

碳纖維葉輪需通過(guò)氣動(dòng)性能試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)、加速疲勞實(shí)驗(yàn)等，已驗(yàn)證其可靠性。

風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)按ISO 5801-2007進(jìn)行，其氣動(dòng)性能需滿足技術(shù)要求。還需按JB/T 6445的要求進(jìn)行葉輪超速實(shí)驗(yàn)，將葉輪裝在試驗(yàn)設(shè)備上加緊，在額定滿負(fù)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(wú)損，且無(wú)機(jī)械故障或過(guò)度變形。整臺(tái)風(fēng)機(jī)裝配應(yīng)以110%的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)1 min。試驗(yàn)完畢后，應(yīng)對(duì)葉輪進(jìn)行目測(cè)檢查。通過(guò)與一同設(shè)計(jì)的完好樣品進(jìn)行目測(cè)比較，不應(yīng)出現(xiàn)任何嚴(yán)重的足以目測(cè)查出的扭曲變形。

按照GB/T 21563-2008機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)1類B級(jí)設(shè)備的規(guī)定進(jìn)行沖擊振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)前檢查風(fēng)機(jī)，無(wú)電線摩擦、無(wú)緊固件松動(dòng)、無(wú)部件老化、無(wú)裂紋和斷裂、無(wú)過(guò)大電氣噪音等現(xiàn)象。試驗(yàn)前應(yīng)確定試驗(yàn)裝置在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頻段之間不發(fā)生共振現(xiàn)象。試驗(yàn)后對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行外觀和機(jī)械結(jié)構(gòu)檢查，風(fēng)機(jī)外觀和機(jī)械完整性無(wú)改變，風(fēng)機(jī)表面無(wú)裂縫、無(wú)電線摩擦、無(wú)緊固件松動(dòng)、無(wú)部件老化、無(wú)裂紋和斷裂、無(wú)過(guò)大電氣噪音等現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料制作牽引風(fēng)機(jī)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(shì)，本文對(duì)設(shè)計(jì)的碳纖維葉輪其進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)和氣動(dòng)性能仿真，計(jì)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(jì)計(jì)算提供了有效的方法。