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高效节能矿用防爆风机叶柄模态分析

发布时间:2019年05月27日

     防爆风机叶柄结构及工作情况介绍叶柄的结构图1所示, 叶柄所用资料为合金结构钢40Cr, 该资料杨氏模量E=210GPa, 泊松比L =0. 3, 密度d=7820kg/m³。风机工作额外频率为 50Hz。叶片经过4M16@1. 5高强度螺栓紧固在叶柄上, 叶柄经过M36@3螺纹与叶轮衔接在一起, 当驱动电机带动叶轮作高速旋转时, 其上的叶柄和叶片便跟随着快速旋转, 将气体不断地抽出或压入煤矿矿井的主巷道内, 起快速通风换气作用, 以下降煤矿井下瓦斯或粉尘的浓度。

     固有频率与模态风机叶柄属于多自由度体系, 它的基本特征是存在一种自由振动模式, 称之为振动模态。模态剖析是一个2步进程: 1需求辨认自由振动模式的基本特征; o依据这些基本特征对运动 方程进行改换。模态剖析的意图是求出体系的固有频率和模态振型, 它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。 一个三维实体模型, 可将其幻想为一个由质点、刚体、弹性体及阻尼器构成的多自由度体系。为便于剖析, 将其离散成为由S个单元、n个节点构成的有限元模型, 其数学模型为有限元模型模态剖析的 关键是建立全体结构的刚度矩阵K和质量矩阵M, 并找到一个合适的特征值及特征向量的核算方法。本文选用分块兰索斯法核算。该算法自动选用稀疏矩阵方程求解器, 当模型中含有形状较差的实体单 元时运行良好, 且运算速度快、节省时间。

     模态剖析进程模态剖析进程由4个首要过程组成: 建模、加载及求解、扩展模态和成果检查。

     (1)建立有限元模型首要指定叶柄的资料属性, 包含: 弹性模量E= 2. 1e11Pa, 泊松比L=0. 3和密度 p=7820kg/m 3 。然后对叶柄结构进行恰当简化, 忽略小倒角的影 )响, 内螺纹按大径核算, 外螺纹按小径核算, 选用自顶向下建模方法创建叶柄的三维实体模型。选用10节点四面体SOLID92单元对实体进行网格划 分, 它是在三维四面体单元的基础上建立起来的一种高阶单元, 因为具有二次插值函数, 所以核算精度更高。另外因为叶柄模型鸿沟为曲线, 运用10节点四面体单元也显得愈加合适。网格区分方法采 用智能法, 它能够自动地依据模型的巨细和部分的不规则区域区分不同的网格密度。叶柄的有限元模型如图2所示。

     (2))设定鸿沟条件 依据风机叶轮及叶柄的实践衔接联系, 对叶柄上M36@3螺纹处的外圆表面上的节点施加全约束, 约束其所有自由度全为零。

     (3)进行模态剖析时的求解设置首要进入求解器, 经过Solution/AnalysisType/ NewAnalysis指令设置求解类型为/ Modal0, 即进入模态剖析模块。接着经过Solution/AnalysisType/A- nalysisOptions指令进行模态剖析的详细选项设置, 挑选模态提取方法中的/ BlockLanczos0选项, 敞开扩展模态形状Expandmode shapes选项, 并输入要提取的模态阶数值为6, 模态提取的频率规模 设置为0~8000。

     (4)求解、扩展模态和后处理 1求解后保存数据库并退出求解器。 重新进入求解器, 经过Solution/Analysis Type/ ExpansionPass指令进行模态扩展设置, 敞开扩展选项EXPASS。设置要扩展的模 态阶数为6, 扩展模态的频率提取规模设置为0~8000, 翻开应力剖析选项Elclc。开始扩展求解并在求解完毕后保存数据库。 先经过General Postproc/ReadResults/First Set 指令, 将第1阶模态的扩展成果读入数据库。然后经过使用菜单中的PlotCtrls/Animate/ModeShape指令, 调出动画显现对话框, 进行设置后, 动画 逼真地显现出叶柄在固有频率为1685. 1处的第1阶模态振型为叶柄沿着Z轴摇摆, 如图3所示。经过Gen- eral Postproc/ReadResults /Next Set指令, 将第2阶模态的扩展成果读入数据库。用上述同 样的方法动画显现出叶柄在固有频率为1685. 4处的第2阶模态振型为叶柄沿着Y轴摇摆, 如图4所示。对余下的模态重复上述过程, 经过动画显现能够看出叶柄的三阶振型为绕X轴扭转, 如图5所示。四 阶振型为叶柄沿着过中心且与Y轴约成20b 夹角的轴线摇摆, 如图6所示。五阶振型为叶柄沿着过中心且与Z轴约成20b夹角的轴线摇摆, 如图7 所示。六阶振型为叶柄125圆柱部分呈伞状左右摇摆, 如 图8所示。 防爆风机经过General Postproc/Plot Results/Contour Plot/ Nodal solution指令, 挑选Stress, vonMisesStress选项, ANSYS窗口会显现出叶柄的相对应力成果。图9 为叶柄在第1阶固有频率时的 相对应力成果显现。 ( 1)成果剖析 模态剖析得出叶柄的前6阶固有频率如表1所示。从表中能够看出叶柄的第1、2阶固有频率附近, 成果检查时动画显现出叶柄的第1、第2阶模态振型表现为正交; 第4、第5阶固有频率附近, 而且它们的 模态振型也表现为正交, 这首要是因为模型的对称形成的。 图9中的应力是相对等效应力值, 并不是真实值。 ( 2)结论 高效节能矿用防爆风机工作额外频率为50Hz。叶柄的最低固有频率(第1、第2阶)为1685Hz。风机工作频率远远低于叶柄本身的最低固有频率, 即工作时已避开共振区, 不会发生共振, 能够安全运行。 剖析表明叶柄的结构设计及动态特性是合理的, 能够投入生产。

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