基于有限元法的风机框架轻量化设计

2018-05-29缪莹赟

机械制造 2018年11期

□ 傅田□ 缪莹赟

1.重庆工业职业技术学院重庆401120

2.浙江遨游动力系统有限公司浙江湖州313000

1 问题的提出

机壳、叶轮、进风口和外转子电机是空调风机的主要构成部分，其中机壳的主要作用是支撑整个风机，是风机的主要支撑部件。机壳除了承受风机的总质量之外，还需承受转子离心力、皮带轮张紧力及流体静压和动压等载荷［1］，因此对空调风机框架的研究至关重要，框架结构力学特性在很大程度上决定了风机的振动、寿命和可靠性。目前国内风机框架设计通常基于经验设计，设计周期长、质量大、成本高，不利于风机结构的轻量化设计。

笔者以SYQ710K风机框架为研究对象，基于有限元法对风机框架建模，计算出刚度和振动仿真结果，并进行CAE仿真分析，在通过试验测试结果验证后，得出风机外壳轻量化设计的方法。

2 有限元分析

建立风机框架的有限元模型，针对风机的工作原理和不同的安装方式，对风机框架在不同工况条件下进行振动仿真和刚度仿真。

2.1 有限元分析建模

有限元模型要如实反映结构的几何形状、材料特性、传力性质，边界约束条件和承载方式，同时也要满足工程精度要求和经济性要求［2］。基于此原则和方法，建立风机框架有限元模型，如图1所示。该有限元模型中节点共103 186个，单元共102 168个，轴和叶轮采用集中质量点施加在框架连接位置，模拟轴和叶轮的质量影响。

▲图1 风机框架的有限元模型

2.2 基于有限元法的力学性能分析

风机框架的运行工况取决于风机的安装条件和受力条件，在力学上称为位移边界条件和力边界条件。对于位移边界条件取决于安装边界，风机框架有0°安装方向、90°安装方向和180°安装方向。由于在测试过程中无法实现0°安装，因此在测试和仿真中均只考虑了90°安装方向和180°安装方向的力学性能研究。

力边界条件主要包含重力、皮带轮张紧力、转子离心力、风静压和动压。风静压和动压对轴承安装位置影响很小，而转子离心力相对皮带轮张紧力和重力较小，可以忽略。因此，仿真分析中仅考虑重力和皮带轮张紧力［3］。

▲图2 90°安装工况下风机框架的位移云图

对风机框架有限元模型在90°安装方向和180°安装方向两种工况下，分别对X方向施加5 000 N载荷、Y方向施加5 000 N载荷、Z方向施加1 000 N载荷进行刚度仿真计算，得到位移云图，如图2和图3所示。由于在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力，因此可计算出其刚度。在90°安装的工况下，X方向的最大位移是0.04 mm，刚度是128 205 N/mm；Y方向的最大位移是0.03 mm，刚度是161 290 N/mm；Z方向的最大位移是0.06 mm，刚度是17 543 N/mm；在180°安装的工况下，X方向的最大位移是0.08 mm，刚度是64 935 N/mm；Y方向的最大位移是0.01 mm，刚度是581 395 N/mm；Z方向的最大位移是0.08mm，刚度是13 157 N/mm。

▲图3 180°安装工况下风机框架的位移云图

振动分析是在模态分析获得结构响应特征的基础上，通过施加轻量化应用的实际载荷对结构响应特征进行量化处理，以得到结构的变形和应力分布［4］。当风机框架在90°安装和180°安装两种工况下，分别对其模拟转速700 r/min，并在X方向施加1 000 N载荷，Y方向施加1 000 N载荷，Z方向施加200 N载荷，通过仿真计算得到振动的最大位移分别为0.021 mm和0.026 mm，得到位移云图如图4、图5所示。通过振动速度与振动位移关系，可得出在90°安装工况下，X方向最大振动速度为1.25 mm/s，Y方向最大振动速度为0.49 mm/s，Z方向最大振动速度为1.58 mm/s;在180°安装工况下，X方向最大振动速度为1.24 mm/s，Y方向最大振动速度为0.49 mm/s，Z方向最大振动速度为1.54 mm/s。

▲图4 90°安装工况的风机框架位移云图

▲图5 180°安装工况的风机框架位移云图

3 风机框架的力学特性测试

以SYQ710K风机框架为研究对象，测试系统由蜗壳、框架、皮带轮、轴、叶轮、驱动电机和测试平台七个部分组成。风机总质量达260 kg，其中蜗壳质量56 kg，框架质量86 kg，轴质量38 kg，框架的质量占到了整个风机总质量的33%。

风机框架测试平台如图6所示，测试系统采用DH5922系统［5］，主要包含动态信号测试系统所需的信号调理器、直流电压放大器、低通滤波器、抗混滤波器、16位模数转换器、采样控制和计算机通信的全部硬件，测试系统是以计算机为基础的智能化动态信号测试分析系统。在90°安装方向工况下对电机轴承座进行测试，在180°安装方向工况下对电机轴承座的框架左侧进行测试，仿真与测试结果对比情况见表1。

▲图6 风机框架测试平台

表1 风机框架振动仿真与测试结果对比

从表1的风机框架振动仿真与测试结果的对比［6］可以得出：仿真与测试结果在各方向的振动量级基本一致，振动趋势一致，由于振动量级较小，个别数据误差主要是由在测试过程中的噪声干扰所引起，仿真结果能够反映结构力学特性，可以用来进行框架结构的优化设计。

4 风机框架轻量化设计方法

4.1 风机框架优化策略

风机框架优化流程如图7所示，首先通过刚度优化大致确定优化模型，其次通过振动仿真来确定优化结构具体参数［7］。风机框架轴承位置振动一般不超过4 mm/s，经振动测试，结果远小于该值。因此，优化设计思路定为优化后结构刚度不小于原结构刚度的2.5倍，优化后框架轴承位置振动不超过4 mm/s；风机进风口和出风口面积会影响风机的性能和效率，优化设计方案应尽可能减小进风口和出风口面积的影响［8-9］。

▲图7 风机框架优化流程

4.2 风机框架优化设计方案

在判断风机框架结构的缺陷后，经过反复多次结构优化设计并进行振动、性能测试，在考虑质量、成本和工艺控制的同时，对风机框架进行结构优化［10］：除轴承安装板外，其余全部采用2 mm镀锌板折弯设计；框架连接全部采用螺栓连接，可减少喷塑工艺；轴承安装板为6 mm；轴承安装部位改为6 mm厚的垂直支撑；轴承安装部位两端添加2 mm镀锌板斜支撑。

在相同载荷的情况下，通过有限元仿真分析得到优化结构的刚度分析。在90°安装的工况下优化结构的位移云图如图8所示，X方向的最大位移是0.029 mm，计算得到的刚度是172 413 N/mm；Y方向的最大位移是0.043 mm，计算得到的刚度是116 279 N/mm；Z方向的最大位移是0.120 mm，计算得到的刚度是8 333 N/mm。在180°安装的工况下优化结构的位移云图如图9所示，X方向的最大位移是0.084 mm，计算得到的刚度是59 523 N/mm；Y方向的最大位移是0.012 mm，计算得到的刚度是416 666 N/mm；Z方向的最大位移是0.113 mm，计算得到的刚度是8 849 N/mm。

在相同转速和载荷的情况下，通过有限元仿真分析得到优化结构的振动分析［11］。在90°安装工况下优化结构的振动仿真如图10所示，X方向的最大振动速度为0.59 mm/s，Y方向最大振动速度为0.69 mm/s，Z方向最大振动速度为1.99 mm/s，得到的最大位移为0.034 mm。在180°安装工况下优化结构的振动仿真如图11所示，X方向最大振动速度为1.41 mm/s，Y方向最大振动速度为0.56 mm/s，Z方向最大振动速度为2.39 mm/s，得到的最大位移为0.033 mm。

▲图8 90°安装工况下优化结构的位移云图

4.3 试验测试

对优化的风机框架结构进行试验测试，在转速700 r/min、90°安装和180°安装两种工况下，分别对轴承安装支座、支座支撑板及风机安装固定位置进行X向、Y向和Z向的振动测试，结果见表2和表3。

▲图9 180°安装工况下优化结构的位移云图

对原风机框架和优化后的风机框架结构进行性能测试，测试系统如图12所示。得到原结构和优化结构的性能测试对比，如图13和图14所示。

▲图10 90°安装工况下优化结构的振动仿真

▲图11 180°安装工况下优化结构的振动仿真

根据反复计算和上述仿真与测试结果，可以得出以下结论：优化方案的振动测试均小于4.6 mm/s，符合JB/T 8689—2014《通风机振动检测及其限值》标准，满足结构刚度设计要求；进风口挡风面积对全压和全压效率有较大影响，优化方案在保证原进风口挡风面积基本相同的情况下，其性能测试与原结构相比基本一致，满足风机性能要求［12］。