基于Workbench的T35型礦用通風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)頻仿真分析

宋鵬飛

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

通風(fēng)機(jī)具有高效、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道、煤礦礦井、建筑、工廠車間等需要大量空氣通入的環(huán)境。隨著科學(xué)的進(jìn)步，通風(fēng)機(jī)也發(fā)展出了許多種類型適用于不同的環(huán)境，同時(shí)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，為了保障通風(fēng)機(jī)的使用壽命以及可靠性，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

通風(fēng)機(jī)是一種大型回轉(zhuǎn)機(jī)械，通常情況下通風(fēng)機(jī)的故障主要源自葉片，主要故障類型包括葉片與輪轂連接處產(chǎn)生裂紋或者是葉片發(fā)生折斷。高速旋轉(zhuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致葉片與通風(fēng)機(jī)輪轂產(chǎn)生共振，故障源之間存在較為復(fù)雜的耦合關(guān)系。本文基于Workbench建立了葉片通風(fēng)機(jī)的有限元模型，模擬分析了葉片的固有頻率，為研究葉片結(jié)構(gòu)與通風(fēng)機(jī)故障頻率之間關(guān)系研究提供參考。

1 T35型礦用通風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)介

軸流式通風(fēng)機(jī)使用廣泛，之所以稱之為“軸流式”是因?yàn)榭諝饬黧w運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)機(jī)主軸相平行，主要適用于流量較高而壓力相對(duì)較低的場(chǎng)景。一般軸流式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)可靠性好，但是由于葉片受到載荷情況復(fù)雜，常發(fā)生故障[1]。

圖1所示為本文研究的對(duì)象即T35型礦用通風(fēng)機(jī)。該型礦用通風(fēng)機(jī)主要由葉輪、機(jī)殼、電機(jī)、集流器、整流罩、擴(kuò)散器組成。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)葉輪，葉輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流體的做功。葉片的主要功能是對(duì)流體進(jìn)行加壓，在真空期通過(guò)整流罩進(jìn)行機(jī)內(nèi)加壓完成，然后排出氣體。擴(kuò)壓器的作用是回收出口動(dòng)壓并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，葉片是主要承載部位[2]。

圖1 T35型礦用通風(fēng)機(jī)

T35礦用通風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，主要包括通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，具體幾何參數(shù)在此不再贅述，依據(jù)通風(fēng)機(jī)的工程圖紙建立通風(fēng)機(jī)的三圍模型[3]。

表1 T35通風(fēng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

2 流固耦合分析基礎(chǔ)

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算與數(shù)值分析計(jì)算的發(fā)展，使得應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算流固耦合分析成為可能，流固耦合是流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和固體力學(xué)（Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而產(chǎn)生的一種新的力學(xué)研究方法，主要用以解決固體與流體相互作用產(chǎn)生的力傳遞[4]。

借助有限元理論實(shí)現(xiàn)應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決流固耦合的問(wèn)題，主要途徑是將流體分析計(jì)算的結(jié)果（載荷）傳遞給固體結(jié)構(gòu)分析，該過(guò)程同樣遵循基本的一些守恒原則，是高效、用途廣泛的計(jì)算工具。

本文中計(jì)算了葉片在額定功率載荷工況下的四階固有頻率，Workbench中的動(dòng)力學(xué)基本公式可以表示為式（1）[5]：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；F（t）為系統(tǒng)所受外力。

在計(jì)算模型的模態(tài)時(shí)，[C]一般可以忽略，在計(jì)算機(jī)求解過(guò)程中，通常需要進(jìn)行兩次迭代。首先是線性靜態(tài)分析，即[K]{x0}={F}，第二步迭代需要考慮在靜態(tài)分析基礎(chǔ)上考慮硬化矩陣[S]，然后求解結(jié)構(gòu)的模態(tài)，在此不再對(duì)軟件計(jì)算分析過(guò)程做過(guò)多說(shuō)明。

3 仿真模型建立

首先，利用Solid Works三維軟件，建立通風(fēng)機(jī)的三維實(shí)體模型，以通用STP格式導(dǎo)入Workbench。在進(jìn)行流固單向耦合分析之前，需要?jiǎng)?chuàng)建通風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流流道。在 Workbench中應(yīng)用“Fill”和“Enclosure”這兩個(gè)特征進(jìn)行創(chuàng)建，建立了一個(gè)1 000×1 000×2 000的立方體流動(dòng)通道，通風(fēng)機(jī)模型置于流體通道正中央[6]。

接下來(lái)進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，對(duì)幾何體所有固體部件進(jìn)行抑制，選擇流體域?qū)δＰ瓦M(jìn)行布爾操作，流體域的網(wǎng)格與幾何實(shí)體的網(wǎng)格單獨(dú)劃分。選擇所有流體域，選擇網(wǎng)格劃分方法，插入Method選項(xiàng)，點(diǎn)擊Generate Mesh，對(duì)流體域劃分一共生成節(jié)點(diǎn)4 184個(gè)，流體結(jié)構(gòu)單元168 713個(gè)。

然后進(jìn)行CFX邊界處理，圖2所示為CFX前處理設(shè)置。其中，設(shè)置流體域的材料為Air at 25℃，空氣壓力設(shè)置為1 atm。對(duì)于流體域設(shè)立邊界條件時(shí)，除進(jìn)出口兩側(cè)外均設(shè)定為Wall（墻）。

圖2 CFX前處理設(shè)置

4 仿真結(jié)果分析

分別計(jì)算了通風(fēng)機(jī)在額定功率的載荷工況下葉片壓力分布情況和葉片在該工況下4階固有頻率和振型。已知，在進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析時(shí)，首先在靜力學(xué)分析模塊中約束流體部件，然后利用CFX計(jì)算葉片上的壓力載荷（Imported Load）。基于此方法，計(jì)算得到通風(fēng)機(jī)葉片在流體作用下的表面壓力，如圖3所示。

求解葉片固有頻率，對(duì)該分析模型插入固定約束，計(jì)算葉片的前四階模態(tài)，提取計(jì)算結(jié)果，如圖4所示，列出了葉片的第一階和第四階模型的計(jì)算結(jié)果。第一至四階固有頻率計(jì)算結(jié)果為155.41 Hz、524.16 Hz、864.92 Hz、1 332.32 Hz。葉片的固有頻率對(duì)于通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性研究具有重要意義。

圖3 通風(fēng)機(jī)葉片表面壓力分布

圖4 葉片模態(tài)示意圖

5 結(jié)論

利用Workbench求解了T35型礦用通風(fēng)機(jī)在電機(jī)額定功率載荷工況下空氣對(duì)通風(fēng)機(jī)壓力作用，并求解了葉片的固有振動(dòng)頻率。通風(fēng)機(jī)屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其軸的旋轉(zhuǎn)可能與葉片的固有頻率重合，影響其使用壽命。計(jì)算葉片的固有頻率對(duì)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通風(fēng)機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)提供了積極參考。