基于Ansys的矿用局部通风机叶轮模态分析

2016-12-03熊杰

科技创新与应用 2016年31期

摘要：叶轮是矿用局部通风机的核心部件，其可靠性对设备的安全性和稳定性有重要影响。文章创建了某矿用局部通风机叶轮的三维模型，并运用Ansys Workbench平台对其进行模态分析，得到其前4阶固有频率和振型，为防止共振以及后续动态特性分析和优化设计提供理论依据。

关键词：矿用局部通风机；叶轮；模态分析；Ansys Workbench

1 概述

轴流通风机是矿山生产的重要设备，向矿井输送新鲜空气，冲淡有害气体并排出粉尘。轴流通风机一旦出现故障，轻则影响正常生产，重则引发瓦斯爆炸等安全事故。因此，轴流通风机的安全性和稳定性对矿山安全生产十分重要。

通过对矿用局部通风机的事故调查发现，叶片断裂是发生事故的主要原因。当叶轮的固有频率与激振频率相吻合时，叶轮处于共振状态，使得叶片发生断裂的概率大大增加。因此，对叶轮的振动特性进行分析非常重要。

文章创建了一种矿用局部通风机叶轮的三维模型，并借助Ansys Workbench平台，运用循环对称分析的方法，对其进行模态分析，得到其前4阶固有频率和振型，为防止共振以及后续动态特性分析和优化设计提供理论依据。

2 模型处理

本矿用局部通风机叶轮由轮毂和14个叶片组成，轮毂外径为240mm，轮毂厚度为110mm，叶轮外径为400mm，安装角度为51.5°，叶片顶部弦长与列线夹角为33.1°，顶部弦长为101.1mm，根部弦长为127.3mm，通风机叶轮三维模型如图1所示。

文章针对通风机叶轮具有循环对称的特点，采用循环对称分析的方式对叶轮的一个基本循环扇区进行模态分析，进而得到整个叶轮模型的模态分析结果，并使计算量大幅降低。在保留完整单个叶片模型的前提下，应用Pro/E软件将叶轮分解成均匀的十四份，从而得到基本循环扇区模型。

将基本循环扇区模型以.stp格式导入Ansys Workbench，并在Engineering Data中依据表1设置其工程数据。

为使后续网格划分更为合理，在Design Modeler中使用slice命令将模型分割为叶片和轮毂两个部分，并使用from new part命令将其合并为一个多体，使其节点共享。

为达到通过分析叶轮基本循环扇区模型得到整个叶轮模型模态结果的目的，需在Mechanical中创建Cydic Region对象，选取叶轮基本循环扇区模型的一侧剖面设为High Boundary，将其另一侧剖面设为Low Boundary，并创建局部圆柱坐标系。

轮毂部分网格划分方法选择Tetrahedrons（四面体网格），平均单元边长设为10mm；叶片部分网格划分方法选择Sweep（扫掠网格），平均单元边长设为5mm。网格划分结果如图2所示，其节点数为5974个，单元数为1519个。

3 约束与求解

叶轮通过键槽与电机主轴刚性连接，并通过主轴的定位轴肩和螺母限制叶轮两侧的轴向位移。在分析过程中忽略系统阻尼对振动特性的影响，并由于在Ansys模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束，其他载荷将被忽略，因此，对于本例应在轮毂内孔及其两端面处分别设置Frictionless Support（无摩擦接触）约束。

根据振动理论，系统振动过程中低阶模态起主要作用，高阶模态对响应的贡献很小，且衰减很快。因此，本系统求解前4阶模态结果。

4 结果分析

通过模态分析得到叶轮前4阶的固有频率和最大振幅，如表2所示。

该通风机工作转速为1450r/min，计算得出激振频率为338.33Hz。

根据工程惯用标准，认为当固有频率在激振频率的85%～115%范围内时将发生共振。因此，对于该系统，其各阶固有频率应避开287.58Hz～389.08Hz区间。与表2对比可知，该叶轮各阶固有频率均大于该区间上限，说明叶轮设计合理，不会发生共振。

5 结束语

文章创建了某矿用局部通风机叶轮的三维模型，并在Ansys Workbench平台上运用循环对称分析的方法对其进行了模态分析，得到了叶轮前4阶的固有频率和振型。通过对其各阶固有频率与激振频率对比得出，该叶轮设计合理，不会发生共振。

本次有限元分析为预估系统在外力作用下的响应提供了模态参数，为叶轮的动态特性分析和优化设计提供了理论依据。

参考文献

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