0、引 言
葉輪是離心風(fēng)機(jī)中最重要的零部件之一。葉輪由前盤、后盤和葉片三部分焊接而成，是離心風(fēng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)部件，它的強(qiáng)度校核對于風(fēng)機(jī)的整體安全性至關(guān)重要。葉輪受力情況復(fù)雜，主要載荷是高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力。如果最大應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力值，則葉輪易產(chǎn)生破壞。由于葉輪外形復(fù)雜，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，其應(yīng)力應(yīng)變的計算具有一定的難度。工程上常用輪盤的二次計算法和直接計算法，但兩者均無法考慮到輪盤結(jié)構(gòu)的局部變化，也無法精確地反映應(yīng)力集中現(xiàn)象。如采用實驗進(jìn)行應(yīng)力測試，不僅周期長，而且費(fèi)用昂貴。結(jié)構(gòu)有限元法充分考慮葉輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化、各種邊界條件及約束，可以有效地求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力及動應(yīng)力分析，清晰地反映葉輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及振動類型。文中通過對某離心風(fēng)機(jī)葉輪采用三維有限元方法來計算其整個葉輪的應(yīng)力分布。首先計算該葉輪在額定工作轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力分布，校核了在額定工作轉(zhuǎn)速下葉輪的強(qiáng)度問題。依據(jù)強(qiáng)度計算結(jié)果，對葉輪的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改善了葉輪整體的應(yīng)力分布，減輕了葉輪質(zhì)量，提高了材料的利用率。葉輪在高速旋轉(zhuǎn)的條件下，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，振動問題的存在不僅會縮短葉輪的使用壽命，影響產(chǎn)品的安全性，而且會產(chǎn)生大量的噪聲。因此在實際使用過程中，有必要對葉輪振動性能進(jìn)行分析，確保葉輪動態(tài)特性滿足設(shè)計要求。
1、葉輪有限元模型的建立
1.1葉輪三維實體模型
為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)使計算模型與實際的物理幾何模型相一致。這里對整個葉輪進(jìn)行建模，不做簡化處理。在建立葉輪實體模型時，對后盤、葉片、前盤按設(shè)計圖紙建立幾何模型。為了使葉片能與前盤很好地相交，將葉片模型的長度加長，然后用前盤外輪廓線切除多余的葉片。實體模型采用軟件自動劃分單元功能，選用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能較好地適應(yīng)葉輪復(fù)雜的形狀，這樣就得到與實際幾何模型相符的有限元計算模型。葉輪實體模型及有限元計算模型分別如圖1和圖2所示。
1.2邊界條件和載荷工況的施加
在工程實際中，葉輪沿軸向移動是被限制的。為避免葉輪產(chǎn)生軸向則體位移，對后盤內(nèi)表面靠軸肩處一端的內(nèi)圓周線上軸向的自由度施加約束，同時對整個輪盤的內(nèi)表面在徑向和周向的自由度都施加約束。在葉輪強(qiáng)度計算中，氣動力較小，相對葉輪的離心力來說小得多。在考慮一定安全系數(shù)的情況下，氣動力對葉輪強(qiáng)度影響可以忽略，因此整個葉輪只考慮離心力的影響。離心力通過對葉輪施加角速度載荷來實現(xiàn)。
2、葉輪強(qiáng)度計算
葉輪材料額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min．許用應(yīng)力【a】：190 MPa。在額定轉(zhuǎn)速下，葉輪應(yīng)力分布圖如圖3所示。
從計算結(jié)果可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，葉輪最大的Misea應(yīng)力為0.131 MPa．位置出現(xiàn)在前盤與葉片相交處靠近出口的地方。分析葉輪整體應(yīng)力分布，可發(fā)現(xiàn)除前盤、后盤與葉片相交處應(yīng)力值較大井，其余部位材料利用率偏低，應(yīng)力值較小；可通過改變?nèi)~輪結(jié)構(gòu)尺寸來提高應(yīng)力以提高材料利用率。
依據(jù)葉輪應(yīng)力分布圖，對應(yīng)力分布進(jìn)行改善主要從以下幾點著手：葉片結(jié)構(gòu)尺寸不做任何改變；前盤尺寸由8mm減為5 mm;后盤外緣尺寸南8.5 mm減為5mm。葉輪尺寸調(diào)整后，質(zhì)量減小14%。應(yīng)力分布圖如圖4所示。南圖4可知，葉輪局部尺寸調(diào)整后，前盤、后盤整體應(yīng)力值有較大提高，前盤和葉片相交處最大應(yīng)力值上升到0.173 MPa．增加了32%，在滿足設(shè)計要求的前提下減輕了葉輪質(zhì)量。
3、葉輪的模態(tài)分析
對于整個葉輪，離散后的自南振動方程為
由于結(jié)構(gòu)的自振頻率是考慮系統(tǒng)在無阻尼狀態(tài)下的自由振動，因此計算自振頻率的方程為
假定葉輪各個部位的振動為頻率、相位均相同的簡諧運(yùn)動，即可求解葉輪的振動模態(tài)。
對于此離心風(fēng)機(jī)葉輪，需滿足基階固有頻率在60Hz以上的設(shè)計要求。進(jìn)行葉輪振動模態(tài)計算時，模態(tài)提取采用分塊Bloek Lanczos方法，計算了葉輪的前十階固有頻率，如表l所示。為考察葉輪振型的變化，提取了前八階振型圖，見圖5所示。
由圖5可以看出，隨著葉輪振動頻率的提高，葉輪的主要振型也發(fā)生較復(fù)雜變化，呈現(xiàn)出比較明顯的扇形和傘形振動。
由表1可知，葉輪基階固有頻率大于60Hz，因此改進(jìn)后的葉輪結(jié)構(gòu)滿足葉輪動態(tài)特性設(shè)計要求。
4、結(jié)語
(1)對葉輪模型進(jìn)行工額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的應(yīng)力分析，結(jié)果表明，葉輪結(jié)構(gòu)尺寸安全余量較大，可進(jìn)一步改進(jìn)；修改葉輪結(jié)構(gòu)尺寸后，應(yīng)力分析結(jié)果表明，葉輪最大等效應(yīng)力值仍滿足設(shè)計要求，同時提高了材料利用率。
(2)采用有限元分析方法對葉輪進(jìn)行了模態(tài)計算，由計算所得的固有頻率值可知，該葉輪能夠滿足設(shè)計要求。
(3)風(fēng)機(jī)的振動特性不僅與葉輪有關(guān)，而且與電動機(jī)振動、蝸殼的振動以及這三者的振動耦合有關(guān)。要降低其振動幅值，提高整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和使用壽命，尚需作進(jìn)一步的研究。
