风机状态测试系统的总体设计

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关键词：: 风机状态状况测试系统总体整体设计

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风机状态测控系统是在风机运转的过程中，实现风机性能基本参数的采集、分析、计算风机性能参数并绘制性能曲线(流量——全压曲线、流量——功率曲线、流量——效率曲线)并通过采集与处理的信号信息对风机的转速的变频调速控制的过程。风机性能试验对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。目前，我国风机性能检测大多以手工为主，存在试验手段落后，劳动量大和测试结果不准确等缺点。采用先进的虚拟仪器技术，将传感技术、仪器技术和测试技术结合起来，进行风机性能参数的自动检测，试验数据的自动处理和性能曲线的自动绘制是本文研究的重点。

内容简介：: 风机状态测试系统的总体设计 1 摘要风机状态测控系统是在风机运转的过程中，实现风机性能基本参数的采集、分析、计算风机性能参数并绘制性能曲线 (流量全压曲线、流量功率曲线、流量效率曲线 )并通过采集与处理的信号信息对风机的转速的变频调速控制的过程。风机性能试验对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。目前，我国风机性能检测大多以手工为主，存在试验手段落后，劳动量大和测试结果不准确等缺点。采用先进的虚拟仪器技术，将传感技术、仪器技术和测试技术结合起来，进行风机性能参数的自动检测，试验数据的自动处理和性能曲线的自动绘制是本文研究的重点。本文采用虚拟仪器技术，进行了风机性能试验自动测试系统的硬件及软件设计。硬件上在风机机械结构基础上采用压差传感器、压力传感器和扭矩传感器检测各试验数据，实现了试验数据的自动采集 ;利用变频调速技术控制变频调速器输出信号的频率，实现了风机转速的自动调节。软件上在拟仪器开发平台上，采用模块化设计方法，实现了采集信号的实时显示、控制信号的准确输出、试验数据的正确处理及应用最小二乘法对性能参数进行拟合从而实现了性能曲线的自动绘制。整个系统具有界面友好、操作方便、功能齐全等优点，试验结果表明研制基于虚拟仪器的风机性能自动测试系统，增加了试验过程的稳定性，避免了人为的读数误差、计算误差以及相关数据不能同时记录所引起的试验结果的偏差验效率。可广泛应用于科研院所和风机生产厂家，具有较高的推广与应用价值。关键词：风机性能；风机测试；风机控制；虚拟仪器；数据采集；风机状态测试系统的总体设计 2 is in of of of of of of to of of a of of is At s of a of of of is of In a of on of in to of of of to of is to of on to of to of by of be in of 风机状态测试系统的总体设计 3 目录摘要（中文）（英文）第一章概述风机简述风机测试系统的发展基于虚拟仪器的风机测试系统二章系统总体方案的设计风机性能测试方法虚拟仪器技术及其应用风机测试系统的总体方案三章风机硬件系统的设计风机机械硬件总体设计机械结构设计计算风机转速调节装置的设计风机测试传感器的设计选用风机测试系统数据采集卡四章系统软件的设计虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的软件系统介测试系统主界面的设计五章结束语考文献机状态测试系统的总体设计 4 第一章概述随着机械技术、微电子技术和信息技术的飞速发展，机械技术、微电子技术和信息技术的相互渗透也越来越快。要实现系统或产品的短、小、轻、薄和智能化，达到节省能源、节省材料、实现多功能、高性能和高可靠性的目的，机械与电子结合就成为了现代科技发展的趋势。对于风机的自动测控系统就是一个机械电子结合的范例。机简述风机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械 ,它是用来提高气体压力 ,并输送气体的机械 ,是透平机械中的一种 1。风机按工作压力提高的程度来分 ,可以分为四种： 1）风扇 (250压比压缩机的压比又称压缩比，是压缩机出口与进口处气体压力之比。风机使用面广，种类繁多，在工业生产中利用风机产生的气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输送、通风换气、除尘降温等多种工作 2。机测试系统的发展由于风机理论至今仍欠完善，所以风机性能参数的获取主要依赖于性能试验。风机性能试验是在风机转速不变的情况下，改变风机的流量，检测风机各性能参数，并绘制性能曲线的过程。目前，风机用户为了提高经济效益，在选择风饥时对它的各项性能指标提出了更为严格的要求如压力，流量，转速，功率噪声，可靠性等 3。同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进气动设计，提高机械加工的同时，也对风机性能试验的研究和开发给予了高度的重视。并且在电气拖动设备的运行过程中 , 经常遇到这样的问题 , 即拖动设备的负荷变化较大 , 而动力源电机的转速却不变 , 也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍 , 浪费能源。在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行 , 不仅可以满足生产的需要 , 而且还能降低电能消耗 , 延长设备的使用寿命。鼓风机系统采用变频调速 , 并应用者单片机构成风压闭环自动控系统 , 实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量 , 即满足了生产需要 , 又达到了节能降耗的目的 1。由此可见，风机性能测控系统对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。虚拟仪器 (术是目前测控领域中最为流行的技术之一，它利用 I O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理，利用显示器丰富的显示功能来多形式地表达和输出检测结果，在此基础上，构成一个具有完整测试功能的计算机仪器系统，即虚拟仪器。虚拟仪器具有传统仪器的基本功能，同时又能根据用户的要求随时进行定义，实现多种多样的应用需求，具有扩展灵活、界面友好、操作简便、性价比高等特点，目前，虚拟仪器技术在许多领域都得到广泛应用 4。于虚拟仪器的风机测试系统风机状态测试系统的总体设计 5 现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断更新的计算机技术从各个层面上影响、引导各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪器以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测试系统构造方法的进化，过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器技术能充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。应用虚拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统 56。所以，为提高风机性能试验测试系统的性能，并考虑到风机生产厂家及科研院所的实际需求，本课题采用在现有风机性能试验台的基础上利用计算机技术、电子技术、仪器技术的结合 (即虚拟仪器 )，设计一种具有如下特点的计算机辅助风机性能自动测试与分析系统。 (1)自动采集风机性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准。 (2)自动控制风机转速。 (3)自动进行数据处理，且实现数据的存储、打印、查询等功能。 (4)自动绘制风机性能曲线。 (5)系统界面友好，操作方便，便于用户使用。论文的主要任务是以虚拟仪器为设计目标，选用适合的测试手段与测试方法，进行风机性能试验台的软硬件设计，实现试验数据自动采集与数据处理并最终生成风机性能曲线。风机状态测试系统的总体设计 6 第二章系统总体方案的设计机性能测试方法本文针对中、小型风机性能测试的研究，充分利用原有的风室型出口式风机性能试验装置，融入现代虚拟仪器技术 6，通过虚拟仪器的据采集模块，建立了一套基于的风机性能自动采集系统。该系统能自动采集风机的原始参数即动压、静压、转矩、转速、温度，并计算出相应的流量、效率、轴功率，绘制出压力、效率、轴功率随流量的变化的有因次和无因次曲线，打印输出曲线及数据报表。 12 风机性能试验是以测试试验数据，绘制风机性能曲线为主，所以正确理解风机主要性能参数和性能曲线尤为重要。风机的主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率。 (l)流量 :单位时间内风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量 Q 表示，其单位为“耐/s”或“ m3/h”。严格地讲，风机的流量，特指风机进口处容积流量。 (2)全压 :单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压或风压，以 P 表示，单位为 (3)轴功率 :原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，以 p 表示单位为 (4)有效功率 :单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，单位为 (5)效率 :风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，他们的比值称为风机的效率，以几表示。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。 (6)转速 :风机轴每分钟的转数称为转速，以 n 表示，单位为 r/机的各性能参数一般都不是在试验台上直接测量的，而是通过对试验数据进行计算而得到。得到风机性能参数后，绘制风机的性能曲线为风机性能试验的最终结果，风机的性能曲线有两种，包括有因次性能曲线和无因次性能曲线。 (7)有因次性能曲线 :将风机在各工况下的性能参数值用曲线连接起来，绘制在直角坐标系中，用以表示风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。 (8)无因次性能曲线 :为了选择、比较和设计风机，经常采用一系列无因次参数。风机的无因次性能曲线是去掉各种计量单位的物理性质而表示的风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。因为这些性能参数去除了计量单位的影响，所以对每一种型式的风机，仅有一组无因次性能曲线。无因次性能曲线与计量单位、几何尺寸、转速、气体密度等因素无关，所以使用起来十分方便。无因次性能曲线在风机的选型设计计算的应用中尤为广泛。风机性能试验装置分为风室式和风管式两类 7。风室式试验装置由流量测试管路、风室、辅助通风机、流量调节器和整流器等组成，根据腔室与通风机进口和出口的连接方式不同，分为进气风室和出气风室两种试验装置 ;风管式试验由测试管路、流量调节装置、整流装置及锥形连接管等组成，根据试验管路与通风机进气口和出气口的连接方式不同，分为进气、出气、进出气三种试验装置。风机状态测试系统的总体设计 7 (l)进气试验 :这种布置形式只在风机进口装设管道，如图 2示。气体从集流器 l 进入吸风管道 2，再流入叶轮 3，在管道进口处装有调节风量用的锥形节流门 4，并在吸风管道中放置测量流量用的毕托管 5 和静压测管 6。 (2)排气试验 :这种布置形式只在风机出口设置管道，如图 2示。气体从集流器 1 进入叶轮 2，由叶轮流出的气体从排风管道 3 流出，用出口锥形二冷流门 4 调节流量，并在管道上装设静压测管 5 和毕托管 6。 (3)进排气联合试验 :这种布置形式是在风机进出口都装设管道，如图 2示。气体由集流器 1 进入吸风管 2。经叶轮 3 流入排风管道 4，然后排出，在出口装一锥形节流门 5调节风量。并在进出口管道上装设静压测管 6 和毕托管 7。在试验中采用哪一种布置形式，可根据各自的习惯及现场的试验条件来决定。例如送风机是从大气吸入空气，经管道送入炉膛，应采用排气试验装置。引风机是抽出炉膛的烟气使之排入大气，则应采用进排气联合试验装置。因本系统原有试验台为一风管式试验台，所以，本系统采用风管式排气试验装置。由风机性能试验方法可以看出，风机性能试验应主要完成试验数据的测量、风机试验台的控制、风机性能参数的计算和风机性能曲线的绘制四部分内容。所以，如何使这四部风机状态测试系统的总体设计 8 分功能自动实现是系统设计的关键。拟仪器技术及其应用 20多年前，美国国家仪器公司出“软件即是仪器”的虚拟仪器（念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律（每半年提高一倍）飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，如表 2并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。表 2 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭、仪器间相互配合较差关键是软件，系统升级方便关键是硬件，升级成本高，不方便价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护费用高技术更新周期短（ 1 技术更新周期长（ 5 虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的作用，它们相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在 21 世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命 8。基于虚拟仪器的诸多特点，并结合国内外应用虚拟仪器开发的测试与分析系统的实例，本课题采用虚拟仪器技术对风机性能试验中试验数据自动采集、风机工况自动调节、试验数据自动处理等进行研究，研制一套风机性能计算机自动检测与分析系统，以实现试验过程的自动化，解除以往人工试验的繁琐过程，且消除试验过程中测量及计算误差，提高试验结果的可靠性。为适合现代测试系统的要求，需进行风机试验台的改造并设计适合的测试手段与测试方法，即进行系统总体方案的设计。由风机性能试验的过程可知其测试系统主要完成以下工作 :风机性能参数的测量，风机运行工况的调节，风机转速的控制，风机性能曲线的绘制9。风机状态测试系统的总体设计 9 机测试系统的总体方案主要研究内容有：设计风机整体机械构架，系统硬件部分是整个测试试验的基础。在系统中，硬件部分主要由风机、风管、电动机、传感器、步进电机、流量调节挡板、变频调速器、计算机、数据采集板等组成。硬件设计主要完成了风机工况的调节、风机转速的调节、风机各试验数据的采集等工作。其中风机工况的调节利用了原有系统，风机转速的调节采用变频器实现 7。设计并选择传感器（检测风机基本运行参数），试验数据的检测所采用的测量仪器多为传感器。系统采用的传感器包括压差传感器、压力传感器和扭矩传感器。压差传感器主要用于检测流量，压力传感器主要用于检测静压，扭矩传感器主要用于检测功率信号 2。选用数据采集板卡，通过数据采集板获取数据在虚拟仪器中又称为据采集 )式仪器。数据采集板作为仪器系统硬件的主要组成部分，是外界电信号与之间的桥梁。它不仅具有信号传输的功能，还具有信号转换和译码的功能。软件控制与处理显示（利用制程序对传感器检测到的信号进行处理及显示）。系统功能：自动采集风机的原始参数即动压、静压、转矩、转速、温度，并计算出相应的流量、效率、轴功率，绘制出压力、效率、轴功率随流量的变化的有因次和无因次曲线，打印输出曲线及数据报表。系统总体结构如图 2 1）根据拟定工作环境和工况设计风机整体机械结构； 2）风机性能测试的方法选择进排气式测试方法； 3）风机全压采用电容式压力传感器测量； 4）风机流量通过法兰式标准板孔压差测量装置采集压差信号，在通过换算得到风机流量； 5）风机的转矩与转速采用在电机与风机之间安装转速与转矩测量传感器装置； 6）传感器与计算机之间的通信采用虚拟仪器产品：拟仪器 7）风机的转速的调节采用频器进行控制进而实现调速控制； 8）信号的处理、分析、显示、控制采用虚拟仪器软件图 2压传感器扭矩、转速传感器大气压力、温度、湿度变频器电动机风机计算机压差传感器风机状态测试系统的总体设计 10 第三章风机硬件系统的设计件结构的设计具体机械硬件结构设计内容： 1、根据功率选择电动机 2、连轴器的选型 3、渐开线鼓风箱的设计计算 4、风机叶片的设计与选型 5、风机进风管的设计计算 6、风机轴承的设计计算及选型 7、风机变频器的选择与设计 8、压力与压差传感器的选型与设计安装位置 9、数据采集板卡的选择风机机械结构如图 3 图 3机机械结构的设计计算 12： 1、流量据风机拟定的工作环境选择 s。风速选择为：近风口 v=715m/s，出风口v=1030m/s。 2、压力机全压为 9 3、工作介质干燥空气： =风调节柄进风管压力传感器风管支座鼓风室联轴器出风口叶片后支座电动机转速转矩传感器风机状态测试系统的总体设计 11 R=kg k) kg k) kg k) K=1=、转速初选电机型号为：机 N=1430r/ 5、功率初选电机的功率为 3 风机效率一般为 80%90%。初选叶轮大径为设计基准。叶轮如图 3 1、风机叶轮周速： 22 3 0 . 3 2 /60m s 2、风机全压系数： 3224 9 1 0 8 2 . 4 511 1 . 2 9 3 3 0 . 3 222 图 3机叶轮示意图 3、风机流量系数： 2 2228 8 . 9 3 4 2 2 . 7 80 . 4 0 5 3 0 . 3 24u 4、风机的比转数：风机状态测试系统的总体设计 12 33 448 8 . 9 35 . 5 4 5 . 5 4 1 4 3 0 2 2 . 6 849000 5、风机进口轴向速度： 0 . 2 7 0 . 2 70 8 . 9 2 6 8 . 9 2 6 8 8 . 9 3 2 9 . 9 8 /vv q m s 6、风机进口当量直径： 8 8 . 9 3 0 . 2 5 16 0 6 0 2 9 . 9 8 3 . 1 4 7、内孔直径： 1 1 ( 1 ) 0 . 7 0 . 1 1 9 0 . 7 0 . 2 5 1 0 . 1 7 4a h o D m 其中 8。 8、风机叶轮轮毂外径： 0 1 . 2 1 . 2 0 . 1 7 4 0 . 2 0 9d d m 9、风机工作轮进口直径： 2 2 2 20 . 0 0 . 2 5 1 0 . 2 0 9 0 . 3 2 6 d m 10、风机工作轮密封处外径： 01 . 1 1 . 1 0 . 3 2 6 0 . 3 5 9D D m 11、风机叶片进口直径： 101 . 0 8 5 1 . 0 8 5 0 . 3 2 6 0 . 3 5 4D D m 12、风机叶片进口线速度： 11 0 . 3 5 4 1 4 3 0 2 6 . 5 0 /6 0 6 0m s 13、风机叶轮叶片数： 5321 2 1 21 . 4 4 1 0 0 . 3 8 3 52s i n ( )s i n s i n 8 . 8 92 . 8 1 01 0 1 0 1 0 1 21 / 1 / 1 0 . 3 5 4 / 0 . 4 0 5 D D 14、风机叶片厚度： 0 . 2 3 4 0 . 2 3 42 / 1 0 0 0 2 8 8 . 9 3 / 1 0 0 0 0 . 0 0 3 根据以上计算可以通过风机设计手册选型为轮，并且确定为型轴盘。 1、蜗室横截面积当量直径的计算：风机状态测试系统的总体设计 13 . 0 . 9 5 360co e N （式 3 4 1 . 4m m25m m 2 0 . 4m m 3 5 . 6m m2、风机进风管直径： 375 长度： L=3500 3、风机近风口的选型：根据风机设计手册选择 04 1、风机主轴的设计计算根据以上已经选择的风机叶轮与轴盘，选择轴的最小直径为 d=32轴的强度计算：（ 1）叶轮的质量 m m m m m 叶片叶轮前盘后盘轴盘 32() 0 . 1 0 41 2 7 . 8 5 1 0 ( 0 . 1 0 . 0 6 4 ) 0 . 0 0 3 2 . 4 122b b Lm z k g 叶片叶片22 2 0 0 2 0213 2 2( ) ( ) ( )2 2 20 . 4 0 5 0 . 2 6 0 . 2 6 0 . 4 0 5 0 . 2 67 . 8 5 1 0 ( 0 . 1 0 4 0 . 0 6 4 ) ( ) 0 . 0 0 3 ( ) 22 2 42 . 0 3 6D D D D 前盘(将前盘曲面略看作直面计算 ) 222223 2 2 ( ) ( ) 220 . 4 0 5 0 . 1 37 . 8 5 1 0 ( ) ( ) 0 . 0 0 4 5 4 . 0 822 后盘叶轮轴盘因为选用的为 4c 型型轴盘查风机手册可知： 4m 盘因此可以计算叶轮总质量为：风机状态测试系统的总体设计 14 2 . 4 1 2 . 0 4 4 . 0 8 4 1 2 . 5 3m m m m mk g k g 叶片叶轮前盘后盘轴盘（ 2）风机叶轮转速 N=1430r/ 3）风机主轴的最大弯矩以及最大转矩的计算主轴的最大弯矩的计算，主轴受力如图 3 作用在风机主轴上的主要作用力是叶轮重力与其不平衡力，叶轮经过平衡后，仍有允许的残余不平衡重力。该重力可以造成风机叶轮重心与主轴旋转中心线有一定的偏移距离。此距离一般为： 551 . 0 1 0 1 . 5 1 0 m。为安全起见，计算时取： 0 m ，因此，由于叶轮重心与主轴旋转中心线不一致产生的不平衡力： 5 2 21 2 . 0 1 0 2135nF m m 叶轮叶轮（）（式 3 图 3机主轴受力示意图叶轮重力与其不平衡力之和： 21 1 12 ( ) 213514301 0 ( ) 1 2 5 3 1 3 0 . 9 22135nG m g F g 叶轮轴端与联轴器重力之和： 23 6 3 3( ) 1 2 . 6 2G G G G G R L m g N 轴端联轴器联轴器轴承之间轴的重力： 2 2 34 0 . 0 5 2( ) 0 . 2 7 . 8 5 1 0 1 0 3 3 . 3 2 52G R L g N N 主轴与叶轮连接处轴的重力： 2 2 351 0 . 0 3 2( ) 0 . 1 7 . 8 5 1 0 1 0 6 . 32G R l g N N 风机状态测试系统的总体设计 15 图 3机主轴受力弯矩图主轴支撑座反力计算： 1 5 1 4 4 3 6 3( ) ( ) ( ) ( )(1 3 0 . 9 2 6 . 3 ) ( 0 . 2 0 . 1 ) 3 3 . 3 2 5 0 . 1 1 2 . 6 2 0 . 10 . 22 1 6 . 1 8 l l G l G G 1 3 4 5 61 3 0 . 9 2 1 2 . 6 2 3 3 . 3 2 5 6 . 3 2 1 6 . 1 8 3 3 G G G G F 主轴弯矩计算： 1 5 1( ) ( 1 3 0 . 9 2 6 . 3 ) 0 . 1 1 3 . 7 2 G l N m N m 3 6 3( ) 1 2 . 6 2 0 . 1 1 . 2 6 G l N m N m m a x 1 3 . 7 2 N主轴弯矩如图 3风机主轴的转矩计算 39 5 5 1 9 5 5 1 2 0 . 0 41430 m N 风机主轴的复合应力风机主轴的材料选用 45 钢查得其许用扭转切应力 155 许用弯曲应力 275 主轴扭转切应力为：风机状态测试系统的总体设计 16 133312 0 . 0 4 3 . 0 6 1 5 50 . 2 0 . 2 0 . 0 3 216n n M M P a M P d 主轴的最大弯曲应力为： m a x m a x m a 1 9 2 7 50 . 132M M M M P a M P d 按照第三强度理论计算风机主轴的最大复合应力： 2 2 2 2m a . 1 9 4 3 . 0 67 . 4 2 6 0M P a M P a （ 4）风机主轴刚度校核计算风机主轴的弯曲刚度校核计算图 3轴阶梯主轴的当量直径： 4444 4 4 4 4 441300 426 5 3 5 2 0 0 6 5 3 5 2 0 03 2 4 0 5 2 3 2 4 0 5 2v il k l kd m 图 3轴挠度示意图弯曲挠度：主轴挠度如图 3613m a 3 5 1 0 33 2 1 0 1 0 0 . 0 4 264m 风机状态测试系统的总体设计 17 偏转角： 94( 2 ) 2 0 . 0 4 0 . 4 0 . 0 0 0 0 3 3 8 0 1 0 0 . 0 4 232pT l 风机主轴的扭转刚度的校核计算 45 . 7 3 1 0（式 3 其中： T 为扭矩 T=m G 为钢的剪切弹性模量 48 . 1 1 0G M P a 主轴的截面的极惯性矩 4 543 . 0 5 1 032m m 34452 0 . 0 4 1 05 . 7 3 1 0 0 . 0 4 6 / 0 . 5 1 /8 . 1 1 0 3 . 0 5 1 0 （ 5）主轴的临界转速的计算 2 223434 21520775 5 2 0 7 7 5 5 . 2 1 3 2 8 4 / m i 2 2 01 2 5 . 3 1 0 ( ) ( ) 3 . 2 1 0lm g 1 4 3 0 / m i n 0 . 7 5 9 9 6 3 / m i r n r 所以风机主轴运转安全。因为在此设计的风机叶片与叶轮前后盘的连接为焊接，所以叶片的最大弯矩应产生在梁的两端。叶片受力如图 3 当叶轮以角速度旋转时单个叶片因本身质量产生的离心力 F 为： 2F b l R C b l R （式 3 其中 =103 kg/ b 为叶片长 =141L 为叶片宽度 =82 为叶片厚度 =3R 为叶片重心到叶轮中心的距离 =296C= 2 钢的 C= 228 6 . 0 88 6 . 0 8 1 4 3 0 0 . 1 4 1 0 . 0 8 2 0 . 0 0 3 0 . 2 9 6 1 8 0 7 . 2 5F n b l 风机状态测试系统的总体设计 18 图 3机叶片受力示意图如图叶片的重心假定在叶片工作面的 O 点，将 F 分解成沿叶片的法向力切向力叶片在作用下，在相应的方向弯曲。由生的弯曲应力，因叶片的抗弯截面模量大，故可忽略。只计算生的弯曲应力。叶片弯矩如图 3 1 s i n 1 8 0 7 . 2 5 s i n 4 5 1 2 7 7 . 9 2F F N 叶片的抗弯截面模量为： 22 31 4 1 3 2 1 1 . 566bW m m 叶片的最大弯矩： 1m a x 1 2 7 7 . 9 2 0 . 0 8 2 8 . 7 31 2 1 2 m 图 3片受力及弯矩图风机状态测试系统的总体设计 19 叶片的最大弯曲应力： 1m a xm a x 194 5 5 58 . 7 3 4 1 . 3 5 52 1 1 . 5 1 0M P P a M P a M P 钢的许用弯曲应力 1、轮盘本身的离心切应力 22 11222 2 66 4 7 6 1 0 . 2 1 2 ( ) 0 . 1 36 4 7 6 3 0 . 3 2 1 0 . 2 1 2 ( ) 6 . 0 8 1 00 . 4 0 5 2、叶片离心力在圆盘中心产生的应力 21（式 3 半圆盘重心所在半径 33 33212 2 2 2222 2 4 0 5 1 3 0 9 2 . 73 3 4 0 5 1 3 0m m 半圆盘的离心力 2 3 3 2 3 322 14306 5 4 ( ) 6 5 4 0 . 0 3 ( ) ( 0 . 4 0 5 0 . 1 3 ) 2 8 2 2 . 630 D N 单个叶片的离心力 221 14300 . 2 0 . 0 9 2

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