非金屬葉輪離心通風(fēng)機(jī)在機(jī)車中的應(yīng)用

胡春佳

摘 要：離心通風(fēng)機(jī)是最為常見的通風(fēng)裝置，被廣泛應(yīng)用于機(jī)車、礦井、隧道、工廠等眾多領(lǐng)域。葉輪作為通風(fēng)機(jī)的重要組成部分，為一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的部件，其受力情況比較復(fù)雜;因此，對(duì)葉輪進(jìn)行強(qiáng)度校核是非常有必要的，其強(qiáng)度和可靠性是風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行的基礎(chǔ)?；诖?，本文主要對(duì)非金屬葉輪離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行闡述分析，研究非金屬葉輪離心通風(fēng)機(jī)在機(jī)車中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：非金屬葉輪;離心通風(fēng)機(jī);在機(jī)車中的應(yīng)用

1機(jī)車使用離心通風(fēng)機(jī)葉輪的現(xiàn)狀問題

隨著新一代干線機(jī)車技術(shù)含量和技術(shù)要求的逐步提高，大功率電力機(jī)車對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的要求也越來越高。我國機(jī)車用離心通風(fēng)機(jī)葉輪絕大部分使用鋼板焊接，在實(shí)際運(yùn)用過程中存在重量大、殘余不平衡量大的問題，造成離心通風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在起動(dòng)扭矩和振動(dòng)值大的現(xiàn)象，致使電動(dòng)機(jī)故障率居高不下，主要表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)軸承異音、潤滑油脂流失等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)故障，引起整個(gè)離心通風(fēng)機(jī)故障。為解決上述問題，研究發(fā)明了一種強(qiáng)度高、重量輕、阻燃的離心通風(fēng)機(jī)用非金屬葉輪，可以顯著改善上述問題。

2非金屬離心葉輪的研發(fā)

2.1設(shè)計(jì)方法概述

目前機(jī)車離心通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)采用了參數(shù)化建模、模擬計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，取代了傳統(tǒng)機(jī)車離心通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)采用的葉柵理論及二維假設(shè)方法，該方法以葉輪初步設(shè)計(jì)外形或基礎(chǔ)葉輪外形為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.2非金屬離心葉輪的優(yōu)點(diǎn)

非金屬離心葉輪的優(yōu)點(diǎn)主要從3個(gè)方面考慮：材料、結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。（1）材料方面。材料選擇主要是從機(jī)械強(qiáng)度、阻燃要求和耐磨性來考慮，目前非金屬材料的選擇是：PA66103HSL，添加阻燃劑和熱穩(wěn)定劑來滿足使用要求（簡(jiǎn)稱：非金屬材料）。焊接葉輪材料主要選擇的是鋼板Q235A;與金屬材料相比非金屬材料具有高強(qiáng)度、低密度和高剛度的優(yōu)點(diǎn)，可滿足應(yīng)用環(huán)境溫度為-40～+40℃，阻燃滿足EN45545或DIN5510-2阻燃要求。非金屬葉輪材料與焊接葉輪材料（Q235A）機(jī)械性能對(duì)比如表1所列。（2）結(jié)構(gòu)方面。由于加工條件的限制，采用鋼板焊接的離心葉輪葉型只能做到簡(jiǎn)單的直片或弧形，很難達(dá)到翼型二階連續(xù)的水平，且存在葉片表面粗糙度過大的現(xiàn)象。而非金屬葉輪采用注塑的方式，可以將葉型設(shè)計(jì)成更加符合流道的翼型結(jié)構(gòu)葉片，可以完全模擬理論外形，有效抑制氣流的分離，從而提高離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，降低氣動(dòng)噪聲;且葉片表面光滑，摩擦阻力小，氣流能量損失小，風(fēng)機(jī)效率高;葉輪一次成型材料分布均勻，無需動(dòng)平衡即可滿足使用要求。（3）熱穩(wěn)定性方面。將經(jīng)過不同老化時(shí)間的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過比較可以看出添加熱穩(wěn)定劑的材料和未添加熱穩(wěn)定劑的材料在機(jī)械性能上有顯著差異，在拉伸強(qiáng)度方面，老化時(shí)間越長(zhǎng)，未添加熱穩(wěn)定劑的材料拉伸強(qiáng)度大致下降到50%左右;添加了熱穩(wěn)定劑的材料，拉伸強(qiáng)度始終處于緩慢下降過程，到老化2000h后，拉伸強(qiáng)度還能保持70%以上，說明在材料中加入熱穩(wěn)定劑，對(duì)材料的長(zhǎng)期老化性能起至關(guān)重要的作用。

通過SEM（電子顯微鏡）觀察老化前、后的拉伸試樣斷口的微觀形貌可以直接觀察到經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間老化后與基體界面黏結(jié)情況。未加熱穩(wěn)定劑的非金屬材料在未老化和老化2000h后放大200倍的SEM照片中表示出，未老化的材料中樹脂結(jié)合緊密，試樣所受的拉力能很好地傳遞;而在老化2000h后，材料拔出長(zhǎng)度較長(zhǎng)，說明經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間老化后，作用力已經(jīng)變?nèi)?，很難形成有效的力傳遞效果，最終導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度下降。我們?cè)谖蠢匣屠匣?500h后放大1000倍的SEM照片中同樣可以發(fā)現(xiàn)以上所述結(jié)果?？梢钥闯鲈摲墙饘俨牧咸砑訜岱€(wěn)定劑之后，對(duì)老化和沖擊起到了至關(guān)重要的作用，完全可以滿足機(jī)車對(duì)葉輪壽命（15年）的要求。

3 理論計(jì)算對(duì)比

以某公司生產(chǎn)的電力機(jī)車牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)為模型，設(shè)計(jì)了非金屬葉輪的離心通風(fēng)機(jī)，經(jīng)CFD理論計(jì)算，非金屬葉輪離心風(fēng)機(jī)與原焊接葉輪離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能比較，如表2所列。

通過表2可以看出，采用非金屬葉輪的離心風(fēng)機(jī)能有效改善葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)減小電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，提高風(fēng)機(jī)的效率，降低風(fēng)機(jī)噪聲。

4非金屬葉輪離心風(fēng)機(jī)優(yōu)勢(shì)

4.1低噪音、高效率

非金屬葉輪可以將葉型設(shè)計(jì)成更加符合流道的翼型結(jié)構(gòu)葉片，可以完全模擬理論外形，有效抑制氣流的分離，從而提高離心風(fēng)機(jī)的起動(dòng)性能，降低氣動(dòng)噪聲;且葉片表面光滑，摩擦阻力小，氣流能量損失小，風(fēng)機(jī)效率高。

4.2重量輕、振動(dòng)值低

因非金屬葉輪重量遠(yuǎn)低于焊接葉輪，且材質(zhì)均勻，使主軸所受載荷和不平衡力降低、振動(dòng)更穩(wěn)定，使輸出功率更平滑、穩(wěn)定且風(fēng)扇振動(dòng)值明顯降低。

4.3能耗低、故障率低

離心通風(fēng)機(jī)起動(dòng)扭矩與葉輪的質(zhì)量和半徑有關(guān)系，且基本成正比，可以降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量消耗，改善電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，從而減少電機(jī)故障，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)縮短起動(dòng)時(shí)間、降低起動(dòng)電流。

5高效、合理地維護(hù)離心風(fēng)機(jī)設(shè)備

離心式風(fēng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)是重要的環(huán)節(jié)，只有科學(xué)合理地對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)，才能保障其使用壽命。離心式風(fēng)機(jī)的維修和保養(yǎng)流程比較簡(jiǎn)單，但是必須嚴(yán)格按照相關(guān)流程和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，避免其存在安全隱患。例如：對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，使其處于最佳的工作狀態(tài);檢查風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中是否存在異味或噪聲，同時(shí)還要檢查設(shè)備的磨損情況，保障磨損沒有超過標(biāo)準(zhǔn)范圍;檢查設(shè)備運(yùn)行時(shí)的溫度，溫度過高可能是設(shè)備存在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況;保障設(shè)備的緊密度在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，避免出現(xiàn)漏風(fēng)等情況。

結(jié)語

綜上所述，因?yàn)榉墙饘俨牧腺|(zhì)量較輕、強(qiáng)度較好，抗腐蝕良好的特點(diǎn)，合理的應(yīng)用到機(jī)車設(shè)計(jì)中，一定程度上能夠改善離心通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載，降低功率消耗和氣動(dòng)噪聲，值得在機(jī)車離心通風(fēng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域推廣使用。

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