牵引风机碳纤维叶轮设计

(湖南联城轨道装备有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

随着轨道交通装备轻量化技术的要求越来越高。叶轮的减重关系着整个系统的减重，采用碳纤维复合材料制作叶轮在减重、减震、抗疲劳、耐老化等特性中具有较大的优势。本文按照机车牵引风机的设计技术要求来进行，以风机叶轮为设计对象，探索新的非金属材料体系及成型工艺，并对设计模型进行有限元分析及开展试验测试，使得风机的各项性能指标参数均符合其技术规范要求。

1 结构设计

叶轮是风机结构的主要运动件，主要由上盖板、叶片、下盖板、轮芯及垫片组成，碳纤维复合材料叶轮采用分体式成型工艺，上下盖板与叶片单独模压成型，然后进行组装，粘接完成后在接缝位置铺贴碳纤维预浸料进行结构补强。分体式成型工艺可降低产品的复杂性，减少模具的制作成本，防止材料内部存在空隙、缺陷，有利于产品结构的实现。下盖板与轮芯的连接加装有不锈钢垫片通过铰制孔螺栓固定，避免铰制孔螺栓直接作用在碳玻纤维下盖板。叶轮三维模型如图1所示。

2 仿真分析

下面采用有限元计算方法对碳纤维复合材料叶轮进行结构强度仿真计算及三维性能仿真计算，叶轮工作时主要受离心力、气动激振力和振动冲击载荷等。

图1 叶轮三维模型图

对叶轮正常工作转速(3 520 rpm)进行结构力学分析，采用最大应力准则和最大应变准则来进行碳纤维复合材料的失效判断，得出叶轮静强度的计算结果，如图2所示，可以看出叶轮所受最大等效应力为78.4 MPa小于碳纤维许用强度298 MPa，最大等效应变为3 093 με小于碳纤维许用应变5 500 με，均出现在叶片根部，其中叶片层合板许用强度及许用应变值取自碳纤维试验数据。

(a)应力云纹图(79.4 MPa) (b)应变云纹图(3 093 με)

对当前设计风机进行三维仿真计算，使用fluent对风机进行流体分析，风机的流场模型如图3所示，在额定点附近计算该风机的性能曲线，结果如下：所得到压力分布和速度矢量图分别如图4、图5所示。风机性能计算结果统计如表1所示。

图3 风机的流场模型

图4 叶轮中心高处压力分布云图 图5 叶轮中心高处速度矢量图

表1风机性能分析结果

流量 (m3/s)全压 (Pa)轴功率(kW)全压效率(%)实际全压预测(Pa)1.74 295.311.7961.934 626.21.84 22212.0762.964 547.21.94 197.412.4364.164 520.72.04 144.412.7365.114 463.72.14 180.613.0767.174 502.6

由三维仿真计算结果可知，在流量1.8 m3/s时，风机全压4 222 Pa，需消耗轴功率12.07 kW，风机全压效率62.96%。在实际风机压力不需要太大的情况下，也可以适当减小叶轮直径，降低风机全压，以减轻电机负荷。

3 碳纤维叶轮实验

碳纤维叶轮需通过气动性能试验、超速试验、冲击和振动试验、加速疲劳实验等，已验证其可靠性。

风机空气动力性能试验按ISO 5801-2007进行，其气动性能需满足技术要求。还需按JB/T 6445的要求进行叶轮超速实验，将叶轮装在试验设备上加紧，在额定满负荷转速(3 520 r/min)的110%的情况下，旋转零件应能完好无损，且无机械故障或过度变形。整台风机装配应以110%的转速运转1 min。试验完毕后，应对叶轮进行目测检查。通过与一同设计的完好样品进行目测比较，不应出现任何严重的足以目测查出的扭曲变形。

按照GB/T 21563-2008机车车辆设备冲击和振动试验1类B级设备的规定进行冲击振动试验，试验前检查风机，无电线摩擦、无紧固件松动、无部件老化、无裂纹和断裂、无过大电气噪音等现象。试验前应确定试验装置在标准规定频段之间不发生共振现象。试验后对风机进行外观和机械结构检查，风机外观和机械完整性无改变，风机表面无裂缝、无电线摩擦、无紧固件松动、无部件老化、无裂纹和断裂、无过大电气噪音等现象。

4 结语

碳纤维复合材料制作牵引风机叶轮在减重、减震、抗疲劳、耐老化等特性中具有较大的优势，本文对设计的碳纤维叶轮其进行结构力学和气动性能仿真，计算结果表明该叶轮满足技术要求，为后续碳纤维叶轮的设计计算提供了有效的方法。