基于有限元法的風(fēng)機(jī)框架輕量化設(shè)計(jì)

□ 傅 田□ 繆瑩赟

1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 重慶401120

2.浙江遨游動(dòng)力系統(tǒng)有限公司 浙江湖州313000

1 問題的提出

機(jī)殼、葉輪、進(jìn)風(fēng)口和外轉(zhuǎn)子電機(jī)是空調(diào)風(fēng)機(jī)的主要構(gòu)成部分，其中機(jī)殼的主要作用是支撐整個(gè)風(fēng)機(jī)，是風(fēng)機(jī)的主要支撐部件。機(jī)殼除了承受風(fēng)機(jī)的總質(zhì)量之外，還需承受轉(zhuǎn)子離心力、皮帶輪張緊力及流體靜壓和動(dòng)壓等載荷［1］，因此對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)框架的研究至關(guān)重要，框架結(jié)構(gòu)力學(xué)特性在很大程度上決定了風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、壽命和可靠性。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)框架設(shè)計(jì)通?；诮?jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、質(zhì)量大、成本高，不利于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

筆者以SYQ710K風(fēng)機(jī)框架為研究對(duì)象，基于有限元法對(duì)風(fēng)機(jī)框架建模，計(jì)算出剛度和振動(dòng)仿真結(jié)果，并進(jìn)行CAE仿真分析，在通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證后，得出風(fēng)機(jī)外殼輕量化設(shè)計(jì)的方法。

2 有限元分析

建立風(fēng)機(jī)框架的有限元模型，針對(duì)風(fēng)機(jī)的工作原理和不同的安裝方式，對(duì)風(fēng)機(jī)框架在不同工況條件下進(jìn)行振動(dòng)仿真和剛度仿真。

2.1 有限元分析建模

有限元模型要如實(shí)反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、傳力性質(zhì)，邊界約束條件和承載方式，同時(shí)也要滿足工程精度要求和經(jīng)濟(jì)性要求［2］?；诖嗽瓌t和方法，建立風(fēng)機(jī)框架有限元模型，如圖1所示。該有限元模型中節(jié)點(diǎn)共103 186個(gè)，單元共102 168個(gè)，軸和葉輪采用集中質(zhì)量點(diǎn)施加在框架連接位置，模擬軸和葉輪的質(zhì)量影響。

▲圖1 風(fēng)機(jī)框架的有限元模型

2.2 基于有限元法的力學(xué)性能分析

風(fēng)機(jī)框架的運(yùn)行工況取決于風(fēng)機(jī)的安裝條件和受力條件，在力學(xué)上稱為位移邊界條件和力邊界條件。對(duì)于位移邊界條件取決于安裝邊界，風(fēng)機(jī)框架有0°安裝方向、90°安裝方向和180°安裝方向。由于在測(cè)試過程中無法實(shí)現(xiàn)0°安裝，因此在測(cè)試和仿真中均只考慮了90°安裝方向和180°安裝方向的力學(xué)性能研究。

力邊界條件主要包含重力、皮帶輪張緊力、轉(zhuǎn)子離心力、風(fēng)靜壓和動(dòng)壓。風(fēng)靜壓和動(dòng)壓對(duì)軸承安裝位置影響很小，而轉(zhuǎn)子離心力相對(duì)皮帶輪張緊力和重力較小，可以忽略。因此，仿真分析中僅考慮重力和皮帶輪張緊力［3］。

▲圖2 90°安裝工況下風(fēng)機(jī)框架的位移云圖

對(duì)風(fēng)機(jī)框架有限元模型在90°安裝方向和180°安裝方向兩種工況下，分別對(duì)X方向施加5 000 N載荷、Y方向施加5 000 N載荷、Z方向施加1 000 N載荷進(jìn)行剛度仿真計(jì)算，得到位移云圖，如圖2和圖3所示。由于在彈性范圍內(nèi)，剛度是零件載荷與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力，因此可計(jì)算出其剛度。在90°安裝的工況下，X方向的最大位移是0.04 mm，剛度是128 205 N/mm；Y方向的最大位移是0.03 mm，剛度是161 290 N/mm；Z方向的最大位移是0.06 mm，剛度是17 543 N/mm；在180°安裝的工況下，X方向的最大位移是0.08 mm，剛度是64 935 N/mm；Y方向的最大位移是0.01 mm，剛度是581 395 N/mm；Z方向的最大位移是0.08mm，剛度是13 157 N/mm。

▲圖3 180°安裝工況下風(fēng)機(jī)框架的位移云圖

振動(dòng)分析是在模態(tài)分析獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，通過施加輕量化應(yīng)用的實(shí)際載荷對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征進(jìn)行量化處理，以得到結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布［4］。當(dāng)風(fēng)機(jī)框架在90°安裝和180°安裝兩種工況下，分別對(duì)其模擬轉(zhuǎn)速700 r/min，并在X方向施加1 000 N載荷，Y方向施加1 000 N載荷，Z方向施加200 N載荷，通過仿真計(jì)算得到振動(dòng)的最大位移分別為0.021 mm和0.026 mm，得到位移云圖如圖4、圖5所示。通過振動(dòng)速度與振動(dòng)位移關(guān)系，可得出在90°安裝工況下，X方向最大振動(dòng)速度為1.25 mm/s，Y方向最大振動(dòng)速度為0.49 mm/s，Z方向最大振動(dòng)速度為1.58 mm/s;在180°安裝工況下，X方向最大振動(dòng)速度為1.24 mm/s，Y方向最大振動(dòng)速度為0.49 mm/s，Z方向最大振動(dòng)速度為1.54 mm/s。

▲圖4 90°安裝工況的風(fēng)機(jī)框架位移云圖

▲圖5 180°安裝工況的風(fēng)機(jī)框架位移云圖

3 風(fēng)機(jī)框架的力學(xué)特性測(cè)試

以SYQ710K風(fēng)機(jī)框架為研究對(duì)象，測(cè)試系統(tǒng)由蝸殼、框架、皮帶輪、軸、葉輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和測(cè)試平臺(tái)七個(gè)部分組成。風(fēng)機(jī)總質(zhì)量達(dá)260 kg，其中蝸殼質(zhì)量56 kg，框架質(zhì)量86 kg，軸質(zhì)量38 kg，框架的質(zhì)量占到了整個(gè)風(fēng)機(jī)總質(zhì)量的33%。

風(fēng)機(jī)框架測(cè)試平臺(tái)如圖6所示，測(cè)試系統(tǒng)采用DH5922系統(tǒng)［5］，主要包含動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)所需的信號(hào)調(diào)理器、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采樣控制和計(jì)算機(jī)通信的全部硬件，測(cè)試系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的智能化動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)。在90°安裝方向工況下對(duì)電機(jī)軸承座進(jìn)行測(cè)試，在180°安裝方向工況下對(duì)電機(jī)軸承座的框架左側(cè)進(jìn)行測(cè)試，仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比情況見表1。

▲圖6 風(fēng)機(jī)框架測(cè)試平臺(tái)

表1 風(fēng)機(jī)框架振動(dòng)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從表1的風(fēng)機(jī)框架振動(dòng)仿真與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比［6］可以得出：仿真與測(cè)試結(jié)果在各方向的振動(dòng)量級(jí)基本一致，振動(dòng)趨勢(shì)一致，由于振動(dòng)量級(jí)較小，個(gè)別數(shù)據(jù)誤差主要是由在測(cè)試過程中的噪聲干擾所引起，仿真結(jié)果能夠反映結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，可以用來進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 風(fēng)機(jī)框架輕量化設(shè)計(jì)方法

4.1 風(fēng)機(jī)框架優(yōu)化策略

風(fēng)機(jī)框架優(yōu)化流程如圖7所示，首先通過剛度優(yōu)化大致確定優(yōu)化模型，其次通過振動(dòng)仿真來確定優(yōu)化結(jié)構(gòu)具體參數(shù)［7］。風(fēng)機(jī)框架軸承位置振動(dòng)一般不超過4 mm/s，經(jīng)振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果遠(yuǎn)小于該值。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)思路定為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度不小于原結(jié)構(gòu)剛度的2.5倍，優(yōu)化后框架軸承位置振動(dòng)不超過4 mm/s；風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口面積會(huì)影響風(fēng)機(jī)的性能和效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡可能減小進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口面積的影響［8-9］。

▲圖7 風(fēng)機(jī)框架優(yōu)化流程

4.2 風(fēng)機(jī)框架優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在判斷風(fēng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)的缺陷后，經(jīng)過反復(fù)多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行振動(dòng)、性能測(cè)試，在考慮質(zhì)量、成本和工藝控制的同時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化［10］：除軸承安裝板外，其余全部采用2 mm鍍鋅板折彎設(shè)計(jì)；框架連接全部采用螺栓連接，可減少噴塑工藝；軸承安裝板為6 mm；軸承安裝部位改為6 mm厚的垂直支撐；軸承安裝部位兩端添加2 mm鍍鋅板斜支撐。

在相同載荷的情況下，通過有限元仿真分析得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的剛度分析。在90°安裝的工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的位移云圖如圖8所示，X方向的最大位移是0.029 mm，計(jì)算得到的剛度是172 413 N/mm；Y方向的最大位移是0.043 mm，計(jì)算得到的剛度是116 279 N/mm；Z方向的最大位移是0.120 mm，計(jì)算得到的剛度是8 333 N/mm。在180°安裝的工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的位移云圖如圖9所示，X方向的最大位移是0.084 mm，計(jì)算得到的剛度是59 523 N/mm；Y方向的最大位移是0.012 mm，計(jì)算得到的剛度是416 666 N/mm；Z方向的最大位移是0.113 mm，計(jì)算得到的剛度是8 849 N/mm。

在相同轉(zhuǎn)速和載荷的情況下，通過有限元仿真分析得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析［11］。在90°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)仿真如圖10所示，X方向的最大振動(dòng)速度為0.59 mm/s，Y方向最大振動(dòng)速度為0.69 mm/s，Z方向最大振動(dòng)速度為1.99 mm/s，得到的最大位移為0.034 mm。在180°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)仿真如圖11所示，X方向最大振動(dòng)速度為1.41 mm/s，Y方向最大振動(dòng)速度為0.56 mm/s，Z方向最大振動(dòng)速度為2.39 mm/s，得到的最大位移為0.033 mm。

▲圖8 90°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的位移云圖

4.3 試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)優(yōu)化的風(fēng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，在轉(zhuǎn)速700 r/min、90°安裝和180°安裝兩種工況下，分別對(duì)軸承安裝支座、支座支撐板及風(fēng)機(jī)安裝固定位置進(jìn)行X向、Y向和Z向的振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果見表2和表3。

▲圖9 180°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的位移云圖

對(duì)原風(fēng)機(jī)框架和優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖12所示。得到原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的性能測(cè)試對(duì)比，如圖13和圖14所示。

▲圖10 90°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)仿真

▲圖11 180°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)仿真

根據(jù)反復(fù)計(jì)算和上述仿真與測(cè)試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：優(yōu)化方案的振動(dòng)測(cè)試均小于4.6 mm/s，符合JB/T 8689—2014《通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)及其限值》標(biāo)準(zhǔn)，滿足結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)要求；進(jìn)風(fēng)口擋風(fēng)面積對(duì)全壓和全壓效率有較大影響，優(yōu)化方案在保證原進(jìn)風(fēng)口擋風(fēng)面積基本相同的情況下，其性能測(cè)試與原結(jié)構(gòu)相比基本一致，滿足風(fēng)機(jī)性能要求［12］。

表2 90°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

▲圖12 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)

表3 180°安裝工況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

以億利達(dá)風(fēng)機(jī)有限公司的SYQ710K框架為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，研究結(jié)論如下［13］。

（1）在同時(shí)滿足風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)剛度和性能測(cè)試要求的情況下，框架質(zhì)量從原結(jié)構(gòu)的86 kg降低至優(yōu)化結(jié)構(gòu)的42 kg，框架質(zhì)量可降低51.2%，風(fēng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量可減小16.9%。

（2）風(fēng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案僅采用2 mm厚鍍鋅板和6 mm厚扁鋼，所有連接位置都采用螺栓連接，可減少噴塑工藝，為企業(yè)節(jié)省工藝成本。

（3）風(fēng)機(jī)框架構(gòu)優(yōu)化采用仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，試驗(yàn)證明該方法具有較高的可行性。風(fēng)機(jī)框架輕量化設(shè)計(jì)流程可為同類結(jié)構(gòu)研制提供一種有效的技術(shù)參考。

▲圖13 流量-全壓曲線對(duì)比圖

▲圖14 流量-全壓效率曲線對(duì)比圖