毕业设计（论文）-对旋轴流通风机设计（全套图纸）.doc

*学院本科生毕业设计(论文)摘要对旋式轴流通风机，是由两个旋转方向相反的叶轮组成，相当于一台两级轴流通风机，主要应用在矿山、隧道、船舶的换气通风以及冷却塔、风洞上。它主要由集流器、导流罩、叶轮、扩散器、机壳等部分组成。对旋式轴流风机由于本身具有压力特性陡、结构简单、反风量可达正风量的50%70%等主要特点，成为隧道工程、矿井通风的理想通风设备，近年来愈来愈受到国内外风机企业的重视。本文主要介绍FBDCZNo12型轴流风机的工作原理、主要零部件的结构设计、三维实体建模及一些主要零部件的选择及校核计算。本文第一章对轴流风机进行了简单介绍，介绍了轴流通风机的工作原理及国内、国外的发展趋势；第二章阐述了轴流通风机的总体设计和结构设计方案；第三章主要介绍轴流通风机的结构设计及相关零件的设计计算；第四章详细介绍了运用Pro/E软件对轴流通风机的典型零件的三维设计建模，装配和仿真的过程，运用Pro/E软件对轴流通风机进行计算机的辅设计，可以对系统的整体布局，结构的合理性进行判断及评价，还可以方便的对零件尺寸、形状进行修改；第五章对部分零件进行了校核计算。关键词：轴流风机；叶轮；Pro/E；叶片全套图纸加153893706IAbstractFlow breeze machine is from the opposite direction two rotating impeller component, which is equivalent to a two axial fan, major applications in mines, tunnels, ships ventilation ventilation and cooling towers, on the wind tunnel. It is mainly set by the converter, a dome, impellers, diffusers, chassis and other components. Rotating axial fan since they have characteristics of steep pressure, simple structure, Anti-wind of up to the amount of wind is 50% -70%, and other major features, as tunneling, Mine ventilation ideal ventilation equipment, in recent years have become more and more domestic and foreign enterprises fan attention. This text main introduction the FBDCZNo12 Flow breeze machine equipments of work principle, main zero parts of structure design, the 3D entity set up mold and some main zero partseses of choice and the school calculate calculate. In this text, the first chapter of axial fan for the simple presentation, the axial fan the working principle and domestic, foreign development trends; The second chapter presents the axial fan the overall design and structure design program; Chapter 3 introduces the Axial Fan structural design and related parts design; The fourth chapter details the use of Pro/E software Axial Fan typical components of 3D design modeling, assembly and the process simulation, using Pro/E software axial fan of computer-aided design, , the system can be the overall layout and structure of reasonable judgment and the evaluation and can also facilitate the right parts size, Shape changes; Chapter 5 Including some of the parts of checking calculation. Key words：fans flow; impeller; Pro/E;leaves II目录第1章绪论11.1前言11.2对旋式轴流风机的特点和应用11.3轴流式通风机行业现状、发展趋势、市场需求21.4本章小结3第2章轴流式通风机的概述42.1轴流式通风机的结构组成42.2轴流式通风机的设计方案52.3本章小结8第3章对旋式轴流通风机的设计93.1通风机的空气动力设计93.2对旋式轴流通风机基本理论103.3机构主要部分的设计计算113.4通风机叶轮叶片强度的计算153.5本章小结18第4章轴流通风机的三维实体设计194.1设计流程194.2Pro/ENGINEER的功能简介204.3零件设计建模204.4零件装配设计284.5本章小结32第5章运动仿真335.1PRO/E动画设计概述335.2叶轮部分动画仿真335.3本章小结37第6章配套零部件的设计38I6.1电机的选择386.2叶轮连接处平键的校核386.3本章小结38结论39致谢40参考文献4141第1章 绪论1.1 前言轴流式通风机的应用以有很长时间，但在早期由于受到工业水平和技术手段的限制，其理论和实验研究都不够深入。随着我国经济的高速发展以及科技的飞速进步，轴流式通风机也得到了广泛的应用和快速的发展。特别是在航空航天领域以及煤矿生产领域。科技的发展以及生产的需求，就促进了轴流式通风机向着更高的水准发展。设计师对轴流式通风机的设计要求也越来越高。轴流式通风机根据需要有单级和多级两大类，由于单级的风压低，多用于低压、大流量的场合；随着现代工业的发展，近年来轴流式通风机已逐渐高压方向发展，而多级轴流式通风机也就随即而生，具有更高的风压、风量、低噪声和高效率。矿用通风机是井下采矿掘进巷道最重要的设备之一。我国科技水平的进步、工业生产需求、经济发展的需求以及人民生活的必需，使得煤矿井下作业逐步走向高产量、高效率、综合开采等特点，也使得井下巷道距离变长、断面加大，用风量增多，需要有风压高和风力打的通风机来满足安全生产、通风、节约能源和改善矿井井下工作条件的要求。开发新型通风机十分必要。对旋风机应用于矿井、隧道等场合具有目前其它系列风机无法比拟的，综上所述，对旋式轴流风机由于本身具有压力特性陡、结构简单、反风量可达正风量的70%90%等主要特点，成为隧道工程、矿井通风的理想通风设备。对旋式轴流通风机，是由两个旋转方向相反的叶轮组成，相当于一台两级轴流通风机，它主要应用在矿山、隧道、船舶的换气通风以及冷却塔、风洞上。对旋轴流通风机比普通轴流风机具有更高的风压、风量、低噪声和高效率。1.2 对旋式轴流风机的特点和应用对旋轴流通风机有两个旋转方向相反的叶轮，是两级轴流通风机，主要应用在采矿、冷却塔、工程隧道的换气通风。相比于普通流风机，对旋轴流通风机拥有更大风压、更大的风量、更高效率以及更低的噪音。其具体特点如下：（1） 对旋轴流式通风机效率比普通通风机要高，不存在静叶损失，因为其没有静叶；（2） 对旋轴流式通风机具有较大的逆向送风量，一般可达5070 % ，而普通通风机的逆向送风量仅为30%40%，而反风是矿井中出现事故时必须的；（3） 根据不同的风量、风压要求，对旋轴流式通风机可以采用前置叶轮与后置叶轮同时运转、前置叶轮停止后置叶轮运转、前置叶轮运转后置叶轮停止三种运行方式，大大扩宽了使用运行范围；（4） 对旋轴流式通风机的压力风量特性曲线较陡，在高效区较小风量变化即可得到较大的风压变化，能适应矿井主通风和局部通风的需求；（5） 设计对旋轴流式通风机时，第二级叶片的气动负荷比第一级叶片的气动负荷要小，因此，不易出现失速，并且其小流量区特性明显改善；（6） 采用双电机双端驱动的方式，使单部电机容量大幅降低，这不仅使电控系统的单机负荷大幅度下降，也使电控系统技术等级要求降低，从而使供电及电控设备的投资额和操作控制技术要求大大减低；（7） 由于前置叶轮与后置叶轮的干涉运转，其噪音应比普通通风机大，但合理的轴向间隙、径向间隙、前置叶轮与后置叶轮转速的合理匹配，都可以有效地降低噪音，此外还可采用外包复式消声器的方法减低噪音；（8） 各段消声风筒由法兰盘用螺栓连接，采用叶轮与电机直接连接的方式。该机构紧凑，坚固耐用，使用安全，维修方便。综上所述，对旋式轴流风机由于本身具有压力特性陡、结构简单、反风量可达正风量的50%70%等主要特点，成为隧道工程、矿井通风的理想通风设备，近年来愈来愈受到国内外风机企业的重视。但是由于两级叶轮反向对转，相互影响，流动比较复杂，很多与工程实践相关的问题大都通过试验的方式加以解决，还需要深入的研究，工程中对旋式轴流风机可供参考的试验数据也需要完善。对旋风机应用于矿井、隧道等场合具有目前其它系列风机无法比拟的，对其性能的研究工作和工程试验也日趋完善，具用广阔的发展前景。1.3 轴流式通风机行业现状、发展趋势、市场需求从国内外的发展趋势来看，对旋式轴流风机、斜流式通风机以及高效子午加速轴流通风机已经成为矿用风机的主要发展方向。自八十年代中期以来，通风机在高效、节能的总趋势下，通过应用先进的机翼形叶片、扩散器、整体通流部分优化以及轴承密封等当代科技的最新成果，采用先进的工艺和设备，提高制造精度，使风机效率不同程度地提高了5%10%。自1983年起，俄罗斯开始推广最大功率为110kW的BM型局部通风机；英国目前生产使用的局部通风机采用轴流式的叶轮，其流道为分叉并且工作气流与电机分隔；日本也生产了一种MFA系列通风机，该风机具有无声的特点，是采用对旋式的局部通风机。MFA系列通风机可以产生大雨5KPa的风压，其最大功率可达到290KW。MFA系列通风机有两层机壳，其中特殊的吸音吸材料并且在其他重要震动部分也添加该材料，因此噪声可以降低到8090dB(A)，可以达到无声效果。德国生产的VTEX系列轴流式局部通风机，结构采用对旋式，具有230KW的最大功率，适用于压力较低的工作环境。相对于世界传统工业强国，我国的矿井轴流通风机的发展相对迟缓。六十年代以前，我国引进国外的通风机和不完全的设计资料制造了国产JBT和JBT1系列两种矿用局部通风机，这两种通风机广泛应用于我国矿用领域数年，因为其能耗大并且有很大的噪音而逐渐退出我国矿用生产的舞台。由于我国部分地区经济水平有限，新型的局部通风机在我国不发达地区使用数量有限，使得目前我国部分地区煤矿所使用的局部通风机仍然是JBT(YBT)系列的老产品。目前，我国自主研发的新型矿用通风机正积极在向着流量大、风压高、效率高、低（无）噪声方向发展，但以我国目前的研发水平，通风机的流量和压力偏低，噪声较高，未能达到日本所生产的MFA系列风机所达到的低噪水平。因此，有必要研制一种新型的局部风机，用来提高风量和压力，进一步降低噪声。目前，通风机在国内外的发展方向均为节约能源、节省资源和保护环境。即高效化、小型化、模块化和低噪声化。我国正处于高速发展时期，各种行业飞速发展，能源开采、城市建设、交通发展等，成千上万座煤矿都在开采，城市地铁的大量修建，造船业的发展，这里边通风设施的需求越来越大，对设备的性能要求也越来越高，综合每年需求大量的通风设备进行更换。市场前景非常可观。1.4 本章小结本章节介绍了轴流式通风机的工作原理及其特点，以及轴流式通风机行业现状、未来发展前景，通过本章，可以使读者在大体上对流风机有初步的认识，并通过具体的分析与各国通风机的发展水平，让读者对通风机可观的前景有了一个更直观的认识。第2章 轴流式通风机的概述2.1 轴流式通风机的结构组成按照我国对通风机的分类方法，风压在490Pa以下，气体沿轴向流动的通风机称为轴流式通风机。图2-1所示为轴流式通风机的典型结构示意图，气体由集流器1流入，在叶轮2中获得能量，再流入导叶3，导叶可将一部分偏转的气流动能转变为静压能，然后输入到管路中。根据所需要的压强，分为单级和多级式（图2-2）。多级轴流式通风机上还有后级叶轮和后导叶。叶轮和导叶组成级。因为轴流式通风机的压强较低，一般都采用单级，低压轴流式通风机的压强在490Pa以下，高压轴流通风机一般也在4900Pa以下。因此，与离心式通风机相比，轴流式通风机具有低压、大流量的特点。目前，单级轴流式通风机的全压效率可达90%以上，带有扩散筒的单级通风机的静压效率可达83%85%。一般轴流式通风机的压强系数较低0.6，而流量系数较高，=0.30.6,单级轴流式通风机的比转速为ns=1890(100500)。但是，近年来轴流式通风机已逐渐向高压方向发展，例如，目前国际上已制造出的动叶可调轴流式通风机，其全压高达14210Pa，许多大型离心式通风机有被轴流式通风机取代的趋势。 1-集流器 2-叶轮 3-导叶 4-扩散筒 图2-1 轴流式通风机1-集流器 2-整流罩 3-叶轮 4-导体 5-后级叶轮6-后导叶 7-整流体 8-机壳 9-扩散筒 图2-2 多级轴流式通风机剖面图2.2 轴流式通风机的设计方案轴流式通风机从产生到现在出现了很多种设计方案，有叶轮前设置前导叶、叶轮后设置导叶、单独叶轮、叶轮前后都设置导叶等多种方案，每种方案都有其优点。2.2.1 叶轮前设置前导叶叶轮前设置前导叶的级如图2-3所示。气体在前导叶中加速并产生预旋，在通风机中大部分采用负预旋(C1u0。叶轮出口的气流绝对速度方向为轴向，这种级的特点是压强系数高、反作用度1，一般=1.251.50左右。因为C1u0，所以 （2-1）图2-3 叶轮前设导叶 这种级的效率=0.780.82。由于流速高、效率较低，故多用于要求风机体积尽可能小的场合。2.2.2 叶轮后设置导叶这种方案在通风机中应用广泛。气体轴向进入叶轮，从叶轮流出后，气流有一定的旋转，经后导叶扩压整流后，气体轴向流出，如图2-4所示。所以 （2-2）该方案的特点：反作用度1(0.750.90)，可以用于压头较高的通风机，效率高，=0.820.85(甚至可达90%)，采用了可调动叶后，扩大了单机使用范围。图2-4 叶轮后设置导叶2.2.3 单独叶轮对于小叶轮毂比或功率不大的通风机，常常采用一个叶轮而不再设置导叶。这种方案因结构简单、制造方便，所以被广泛采用。其缺点是效率较低，一般=0.70.8。2.2.4 叶轮前后都设置导叶该方案是上述第一、第二两种方案综合的结果，其性能介于两者之间。其布置是叶轮进出气流的绝对速度大小相等，而旋转方向相反，所以其反作用度=1。这种级的效率=0.80.85。此种方案在结构上多了一排，实际中并不常用，多用于多级通风机中。2.2.5 多级轴流式通风机多级轴流风机为24级，大多数是2级。一般是一个叶轮和一个导叶组成一个级，也可在第一级前装置前导叶。在某些建筑通风装置上，为了使风压较高而径向尺寸小、结构简单，可采用两个叶轮中间加一个导叶的方案，图2-5所示为三种轴流式通风机性能的对比。1-前置导叶 2-后置导叶3-单独叶轮级图2-5 三种轴流风机级性能对比在进行通风机方案选择时，可大致参考风机的压强系数或比转速ns进行：当32.5(180)时，一般采用单独叶轮的级；当=0.30.5或ns=20.832.5(115180)时，可采用叶轮加后导叶级；当0.5或ns=14.520.8(80115)时，用前导叶加叶轮加后导叶级；多级通风机的级数i可参考下式确定： （2-3）式中：ut为叶轮外缘圆周速度，单位m/s。从以上介绍可以看出，多级轴流风机比普通轴流风机具有更高的风压、风量和效率，风机的压力风量特性曲线较陡，在高效区较小风量变化即可得到较大的风压变化，能适应矿井主通风和局部通风的需求，因此从满足矿井安全生产、通风需要、节约能源和改善矿井井下工作条件出发，开发新型通风机十分必要，故本设计在普通轴流风机的基础上，进行两级流风机即对旋式轴流风机的结构设计。2.3 本章小结本章节重点介绍轴流式通风机的结构组成和几种设计方案，以及本次设计的意义，通过这章可以让读者大体上了解到轴流式通风机的结构组成、参考参数、优缺特点。阐述了开发新型通风机的重要性和设计方法。使读者对轴流式通风机有一个相对具体的认识。第3章 对旋式轴流通风机的设计3.1 通风机的空气动力设计轴流式通风机空气动力设计的目的是在满足设计参数的前提下，根据获得高效率或低噪音的原则，计算出轴流通风机有关部件在流道中的几何尺寸，并绘制轴流风机图样。在进行轴流通风机气动设计时，已知的主要设计参数有通风机全压PtF和流量qv。如果所给的设计参数不是对应于标准进气状态的，应将其换算成标准状态下设计参数，然后再根据标准状态下设计参数进行设计计算。有时，还可能对设计提出一些其他的附带要求。例如，对于通风机工况调节方面的要求，对于及其尺寸的要求，对于通风机耐磨、耐蚀、耐高温及防爆等方面的要求，对于噪声方面的要求等等。所有这些，在确定通风机设计方案时都要加以考虑。由于其使用条件不同，有时要求通风机工况能够调节，以满足通风机工况改变所需要的风量。诸如大型电站用轴流送风机、矿山主通风机、地铁隧道轴流通风机以及纺织空调轴流通风机等。由于通风机使用地点不同，对通风机型式和尺寸所提出的特殊要求，诸如船用通风机，由于其安装面积受到限制，通常采用立式的，而不是卧式的。由于使用用途不同，对于输送具有腐蚀性气体的通风机，需要采用耐腐蚀材料，如玻璃钢及工程塑料等；对于输送易爆炸气体的通风机，需采用防爆材料，如叶轮采用铸造铝合金材料等；对于输送含杂质和粉尘的混合气体通风机，除耐磨材料外，在叶片表面，还常常喷涂一些耐磨合金材料，以增强叶轮的耐磨性能；对于地铁、高层民用建筑等需要机械排烟场合所用的消防排烟通风机，还要求通风机能耐高温运行，例如，我国高层民用建筑设计防火规范规定，消防排烟通风机应能满足当输送280的烟气时，运行时间不少于30min，这就要求通风机设计时要考虑通风机材质和电动机的耐高温要求。机械噪声为重要的噪声污染源之一，为了保证人民的身体健康、提高工作效率，对于不同的通风机使用场合，对于通风机的噪音要求也不同。在轴流通风机叶片环的空气动力计算中，遵循着两种不同的方法，即等环量和变环量方法。等环量方法适用于压力较高、轮毂比较大的轴流通风机叶片环空气动力计算中，而变环量方法则适用于压力较低、轮毂比较小的轴流通风机计算中。近年来出现的轴流通风机优化气动设计技术和计算机数值模拟轴流通风机气动计算技术，可以很好满足现代轴流通风机设计中的高效率、低噪音、良好的空气动力性能和安全可靠性等指标要求。在通风机空气动力设计计算力后，必须对叶轮等旋转部件进行强度校核。若强度不够，应当更换材料或增加板材厚度，而不应随意更改叶片尺寸，否则将会改变通风机的空气动力性能。目前，轴流通风机的设计方法主要有两种，一种是利用孤立翼型进行空气动力试验所得到的数据进行设计，称为孤立翼设计方法；另一种是利用平面叶栅的理论和叶栅的吹风试验所得到的数据进行设计，称为叶栅设计方法。从空气动力学的发展历史来看，在没有对平面直列叶栅进行系统的试验及理论研究以前，对于孤立翼型进行了大量试验研究工作，并得出有关数据，这时轴流通风机叶片环的设计理论是建立在孤立翼型试验基础上，这就是孤立翼设计方法。随着空气动力计算发展，开始发现当(也有人认为)时，孤立翼设计方法在轴流通风机叶片环的计算中不能得到预期的结果。此后，对于平面叶栅的试验研究及理论研究工作有了很大发展，在这基础上建立了轴流通风机叶片环叶栅设计方法。3.2 对旋式轴流通风机基本理论典型单级轴流通风机示意图如图3-1。其中包括集流器1、流线罩2、前导流器（P）3、叶轮（R）4及后导流器（S）5。由P+R+S组成的一个完整的级。气流经过级中的流动，在大多数情况下，可以看成是在圆柱面上的流动。图3-1 单级轴流通风机示意图对旋式轴流通风机是在单级轴流通风机的基础上，由两个轴流通风机叶轮串联安装，彼此相对转动，它不需要导叶，能产生相当于二级风机的压力，整个结构十分紧凑。它需要两个单独的、转向相反的原动机（近来也使用柴油机）；或用一个装在风机外面的电动机用带传动；也可以用又装在轮毂内的反转机构驱动。对旋式轴流风机系列的工作原理是第一级叶轮与第二级叶轮相距很近，分别又容量和型号相同的隔爆专用电动机驱动，第一级叶轮与第二级叶轮旋转方向相反，两个叶轮采用不同的叶片数，叶片为气流性能优良的机翼叶型，第一级叶轮的扭曲角和安装角均大于第二级叶轮的扭曲角和安装角。空气流入一级叶片获得能量后并经第二级叶轮排出，第二级叶轮兼备着普通轴流风机中静叶的功能，在获得整直圆周方向速度分量的同时，增加气流的能量，从而达到普通轴流式风机不能达到的高效和高风压。3.3 机构主要部分的设计计算3.3.1 叶轮直径及叶片数目的计算设计要求风机流量为10.528.7/s，风压为6001500Pa，现取流量为28.7/s，风压为1500Pa进行计算，取空气密度为1.2。计算主要参考文献1进行。1 确定风机的转速，通风机的级数、级型式和叶轮直径由于设计为主要应用在矿山的对旋式轴流风机，故级数=2第一级风压 =750Pa风机转速取980r/min，故风机比转速=202.9叶轮直径D=1.351m根据流风机系列化和标准化，D圆整到标准直径D=1200mm叶轮外缘圆周速度 =61.5m/s流量系数=0.41全压系数=0.332 确定轮毂直径d 由表3-1选取=0.6此时轮毂直径为：d=D=0.61.2m=0.72m表3-1 选择表0.20.20.40.40.350.450.50.60.60.7 无因次轴向速度为：=0.26/()=0.406 得到轴向速度为：=0.40661.5=25m/s 验算：为判断叶轮叶片根部及后导流器叶片根部是否产生气流分离，需确定 最小允许轮毂比。由参考文献得到全压效率为88%，则风机理论全压系 数为：=0.375 由于考虑前部分时，风机可以看作是P+R级即前导流器加叶轮级，此 时的最佳计算参数=-0.6-0.73，取为-0.73，对于P+R级函数为： 叶轮允许的最小轮毂比:=1/2.96=0.34 由于=0.6，故设计合理，不会存在叶片根部产生气流分离。3叶片计算截面的确定 选用机翼型叶片将整个叶片分为6个计算截面，其中相对平均半径为：4 叶片数目Z的选择 由表3-2，=0.6时，Z=816，本设计取一级叶轮叶片数为15。表3-2 叶片数目与轮毂间关系0.30.40.50.60.7Z264861281610203.3.2 集流器与导流罩1.集流器 有优良集流器的通风机要比无集流器的通风机全压及效率分别降低10%20%或10%15%。集流器和导流罩一起，组成了光滑的渐缩形流道，其作用是使气体在其中得到加速，以便在损失最小的条件下，在级的入口前建立起均匀的速度场。集流器的线形多为圆弧或双曲线，对于圆弧集流器，当圆弧半径r与叶轮直径D之比r/D=0.2时，其损失系数已很小，约为0.03；当r/D=0.3时可忽略其损失。故在设计中取r/D=0.250.3。为了便于集流器的制造，有时可采用由两个或多个截圆锥所组成的简化集流器，试验表明，这种简化集流器在损失较小的情况之下，也能得到均匀的速度场，因此为了便于制造，本设计采用简化的集流器。2.导流罩 有导流罩较之无导流罩的轴流通风机其流量可增加10%。导流罩通常为半球形或流线形。本设计采用流线形导流罩，线形由图3-2所示流线体最大直径的前端（其长度等于0.4l部分）绘制。该流线体的型线坐标值列于表3-1。设计时使dmax等于轮毂直径d。图3-2 导流罩表图3-3 导流罩型线坐标x/l(%)01.252.55102030dx/dmax(%)024.834.848.466.286.096.8x/l(%)405060708090100dx/dmax(%)10097.790.578.260.034.703.3.3 扩散器在额定工况下,一级轴流通风机动压在全压中所占的比例为0.30.5，而离心通风机的只有0.050.1，可见轴流通风机的动压相当可观。为了提高轴流通风机的静压，必须在其最后一个叶片环的出口安置扩散器，同时也提高了通风机的静压效率。此外由于通风机排气噪声的声功率与通风机出口排入大气的速度的8次方成正比，因而在抽出式通风机出口设置扩散器还可以明显降低排气噪声.扩散器的损失可按下式计算： （3-1） 式中：扩散器的损失系数；扩散器入口气流速度，单位m/s。扩散器损失系数为： （3-2） 式中：扩散器摩擦损失系数，=0.0250.03；n=A4/A3扩散器的扩散度，它为扩散器的出、入口通流面积A4与A3之比；Ki冲击完善系数。Ki与扩散器的等值张开角度之间的关系曲线如图3-3所示。图3-3 Ki与间的关系曲线由于扩散器选择为渐缩型，等值张开角度=1020，常取=10，因此Ki=0.15。扩散器小口端直径D+(1020)=1200+(1020)mm，取1215mm，故大口端直径=1390mm。n=A4/A3=1.31取0.025，故 扩散器的效率为：=%扩散器的长度可用下式计算：=2457mm式中的D4为扩散器出口截面直径。等值张开角度=1020，常取=10，D与的值参看叶轮的计算。3.4 通风机叶轮叶片强度的计算 （3-3）式中：m叶片质量，单位kg； 叶片中心至叶轮中心之距离，单位m；叶轮角速度，单位S。图3-4轴流风机叶片拉伸计算图叶片根部的拉伸应力（Pa）为： （3-4）式中：S对于叶片焊接在轮毂上的叶轮，S为焊缝面积；对于叶片通过叶柄固定在轮毂上的叶轮，S指叶柄的横截面积（m）由以前计算得到叶轮直径 D=1.2m，=0.672m，叶片数Z=15，功率P=22KW，气体密度，转速，b=0.61m，h=0.1m，l=0.575m，t=0.2，叶片根部安装角，叶片单个质量，则作用在叶片上总的离心力为：=380081N叶片根部拉伸应力气流流动压力引起的切向力=85.99N气流流动压力引起的轴向力荷载力荷载力引起的弯矩（）则在叶片根部的最大弯曲应力 式中： 则叶片根部总的应力为强度验算，总应力与强度极限（取屈服极限）的安全系数n为因此叶片强度满足要求。3.5 本章小结本章节重点介绍轴流式通风机的风机设计，其中包括通风机的动力设计、基本理论、主要零部件数据计算和叶片强度计算。通过这章可以让读者了解到轴流式通风机的部分零件设计方法以及部分零件的校核计算公式。提供了轴流式通风机的主要设计参数。第4章 轴流通风机的三维实体设计4.1 设计流程对旋式轴流风机的三维设计中，主要应用了Pro/E进行三维建模，下面结合Pro/E来说明此次设计的基本思路。在运用此设计方法对其产品的设计中，主要是使用了Pro/E的以下几个模块：（1） 二维总体草图布局 总体布局模块主要完成草图设计以及核心设计信息的建立，通过布局草图实现从整体到部分和功能设计的，它能使用户地定义一个装配体的基本功能要求、基本机构和全局参数及参数之间的顺序依赖关系，其零部件可以是一个概念上的图形或参数草图，然后建立参数、尺寸之间的关系和零部件自动定位所需的全局基准。在轴流风机中，集流器、主机体、扩散器、刹车装置这四个部分都是紧密地结合在一起的，虽然各个装置所需完成的功能不一样，但是他们之间是相辅相成的，因此，必须合理的布置这几个装置的位置，使之能够简化机械结构的同时，更好的实现自身的功能。所以，轴流风机的结构布置相当重要，它是机构设计的前提条件。（2） 模型设计 该模块可以构造各个零件乃至装配模型，装配体可以按不同的详细程度来表示，从而让设计人员对一些需要再定的零件进行研究设计，在这同时，整个结构的设计图保持不变。（3） 关系模块 Pro/E中的关系模块包含数学关系和程序语法，他的主要作用是将设计理念转化成尺寸符号、数值参数等等，经过设计更改后，各个模型还是保持原有的关系不变。由于Pro/E具有单一数据库和全相关性等特点，这样在轴流风机的整个结构设计过程中任何一部分数据的改动，都会传送到整个设计中，并能够自动更新所有的文件，这样就更加方便了设计的过程。从整个流程图中可以看出，在轴流风机的整体三维设计的过程中，设计者在设计过程中，设计人员可以对自己不满意的地方（各个零件、结构等）随时做出修改，所有修改的参数可以自动的转化到相关的零部件当中去。这样一来，对同一个机械产品设计时，不同的设计者做出的设计就不同，最后再对所有方案进行论证、修改、测试，所以就真正实现了产品的并行设计。其实，做三维设计的目的和意义就是为了其后续的工作（分析、处理、模拟仿真等）打下坚实的基础。在轴流风机的设计参数确定了以后，就可以利用建好的三维实体模型进行模拟装配、模拟仿真运动，进而做出干涉情况检查，最后确定轴流风机的工作环境，在不同的环境条件下，对轴流风机进行模拟工作，这样就便于对那些需要改进的结构零件进行改进，从产品本上来讲，就缩短了产品的研发时间。4.2 Pro/ENGINEER的功能简介Pro/E是美国参数技术公司PTC（Parametric Technology Corporation）开发的CAD/CAE/CAM软件。广泛应用于电子、通讯、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各行业。其主要的功能有：（1） 3D实体模型 3D实体模型，可以随时计算出产品的质量、体积、表面积、重心和惯性具等相关物理量，能清楚明了产品的真实性。（2） 数据管理 Pro/E数据管理功能可以管理并行工程所需求的并行作业程序，并通过全相关性达到真正的并行工程的目的。（3） 基于特征的参数化造型 所谓的参数化设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值来更改零件的外形。但是Pro/E中所说的参数并不只代表设计对象的外形相关的尺寸，还具有实质上的物理意义。比如，设计者们要做一系列同种类型不同尺寸参数的齿轮，设计者只需要做一个齿轮，然后把各个尺寸作参数化处理，以后的那些齿轮只需要把第一个齿轮从库里面调出来，修改其各个尺寸参数，就能得到所需要的实体，这样就不需要重新设计，重新建模，大大节约了设计者的时间。这种参数式设计的功能不但改变了设计的概念，而且将设计的便捷性推进了一大步。（4） 易用性 Pro/E独有的自动导引菜单为用户提供使用方便的选项，也可以预先选定最常用的功能。除此之外，系统还提供了简短的功能菜单说明，以及完整的在线帮助功能，这些都使得Pro/E具有非常好的易用性。（5） 全相关性和单一数据库 Pro/E的设计理念是三维实体模型产生二维工程图，并且自动标注相关尺寸，即不论设计者在三维或二维环境下修改任何尺寸，其相关的二维或者三维实体模型都会自动的改变。在产品开发过程中，使用者在任何时候所作的修改，都会传到整个的设计中去，并自动更新所有的工程文件。（6） 硬件独立性 Pro/E可以在UNIX和WindowsXP/98/2000/NT等几乎所有的操作系统上运行，并在每个系统中都维持相同的界面。用户可以根据自己的需求，选购硬件和模块。4.3 零件设计建模通过Pro/E的三维实体建模，特征建模，自由形状建模等模块，可对轴流通风机各零件进行几何模型的建立，以确定各零件的参数，然后对其参数化分析，建立零件参数标准库，以供调用。本节主要介绍三维实体的建模，现选择一个典型零件隔流腔来做详细讲解。零件如图4-1所示。图4-1隔流腔（1）新建部件文件 点击文件，选择新建或者点击图标，出现新建对话框如图4-2所示。在【类型】栏中选择【零件】，在【名称】文本框内输入geliuqiang0202，再在【子类型】栏中选择【实体】，单击【确定】按钮。在绘图区域出现3个基准平面（依次为FRONT、RIGHT、TOP），如图4-3所示。 图4-2 新建对话框 图4-3 基准平面 （2）创建旋转实体 从特征操作按钮区中选取【旋转】工具，在单击信息显示区中的【草绘】按钮，选取FRONT平面作为绘图平面，接受系统所默认的参照基准和方向，单击【草绘】按钮完成绘图前的设置。从特征操作按钮区中选取【直线】工具按钮，绘制隔流腔的截面图的草图，如图4-4所示。图4-4 草绘截面单击绘图区域右边的快捷图标中的【确定】按钮以完成隔流腔的截面草图绘制。然后在信息显示区中输入旋转角度360，单击右边的确定，完成实体绘制。完成操作后的实体如图4-5所示。图4-5 隔流腔壳体（3）创建隔流腔下底面 从特征操作按钮区中选取【拉伸】工具，在单击信息显示区中的【草绘】按钮，选取FRONT平面作为绘图平面，接受系统所认的参照基准和方向，单击【草绘】按钮完成绘图前的设置。从特征操作按钮区中选取【直线】工具按钮，绘制隔流腔的下底面截面图的草图，如图4-6所示。图4-6 隔流腔下底面草绘单击绘图区域右边的快捷图标中的【确定】按钮以完成截面草图绘制。然后在信息显示区中输入距离2000，选择对称拉伸，并选择去除材料，单击右边的确定，完成实体绘制。完成操作后的实体如图4-7所示。图4-7 拉伸实体（4）创建隔流腔下底面螺栓连接板 选择扫描（伸出项），弹出如图4-8所示菜单，选择上一步拉伸后边缘为扫描曲线，绘制扫描截面如图4-9。 图4-8 扫描菜单 图4-9 扫描截面（5）创建连接板上的螺栓孔 从特征操作按钮区中选取【拉伸】工具，选择连接板的上表面为草绘平面，绘制如图4-10所示草绘。图4-10 拉伸螺栓孔单击绘图区域右边的快捷图标中的【确定】按钮以完成截面草图绘制。然后在信息显示区中输入距离15，选择对称拉伸，并选择去除材料，单击右边的确定，完成实体绘制。（6）镜像实体 从特征操作按钮区中选取【镜像】工具，选择Front面为镜像平面，单击右边的确定，完成镜像，结果如图4-11。图4-11 镜像实体（7）创建进气风道和出气风道 从特征操作按钮区中选取【基准平面】工具，在弹出的对话框后按住Ctrl键选择TOP面和圆锥外表面，使新建的DTM2面与TOP面成45角，单击确定。继续选取【基准平面】工具，然后选择DTM2面和圆锥外表面，使DTM3面与DTM2面相切。结果如图4-12。图4-12 DTM2面与DTM3面从特征操作按钮区中选取【拉伸】工具，在单击信息显示区中的【草绘】按钮，选取DTM3平面作为绘图平面，接受系统所默认的参照基准和方向，单击【草绘】按钮完成绘图前的设置。绘制图4-13所示草绘。图4-13 进、出气风道草绘截面单击绘图区域右边的快捷图标中的【确定】按钮以完成截面草图绘制。然后在信息显示区中输入距离15，选择对称拉伸，并选择去除材料，单击右边的确定，完成实体绘制。结果如图4-14。图4-14 进、出气风道实体图（8）镜像进、出气风道 从特征操作按钮区中选取【基准平面】工具，在弹出的对话框后按住Ctrl键选择TOP面和圆锥外表面，使新建的DTM4面与TOP面成30角，单击确定。从特征操作按钮区中选取【镜像】工具，进、出气风道孔为镜像实体，选择DTM4面为镜像平面，单击右边确定，完成镜像，再选择FRONT面为镜像平面，最终结果如图4-15。图4-15 风道最终图形（9）创建隔流腔贴板 选取【基准平面】工具，选择RIGHT平面为基准面，创建DTM5面，使其距离RIGHT平面为718mm，从特征操作按钮区中选取【拉伸】工具，选择DTM5面为草绘平面，绘制如图4-16所示草绘。图4-16 草绘贴板单击绘图区域右边的快捷图标中的【确定】按钮以完成截面草图绘制。然后在信息显示区中输入距离4，单击右边的确定，完成实体绘制。完成操作后隔流腔的实体如图4-17所示。图4-17 隔流腔实体图4.4 零件装配设计下面以典型部件如图4-18所示的扩散器为例介绍装配过程：图 4-18 扩散器（1）新建部件文件点击文件，选择新建或者点击图标，出现新建对话框如图4-19所示。在【类型】栏中选择【组件】，在【名称】文本框内输入kuosanqi，再在【子类型】栏中选择【实体】，单击【确定】按钮。 图4-19 新建对话框 图4-20 扩散器壳体的装配（2）装入第一个零件（扩散器壳体） 从特征操作按钮区中选取【将元件添加到组件】工具，在打开的文件夹找到kuosanqikeiti，在【元件放置】中选择【缺省】，单击【确定】按钮。如图4-20所示，完成扩散器壳体的装配。（3）装入第二个零件（扩散器法兰1） 从特征操作按钮区中选取【将元件添加到组件】工具，在打开的文件夹找到kuosanqifalan1，在【约束类型】中选择【对齐】，选择扩散器法兰1的中心线和扩散器锥体的中心线；单击【添加新约束】按钮，选择【匹配】，选择扩散器锥体的中间面和扩散器法兰的中间面，单击【确定】完成轴承的装配。如图4-21所示。图4-21 扩散器法兰1的装配（4）装入第三个零件（扩散器法兰2） 从特征操作按钮区中选取【将元件添加到组件】工具，在打开的文件夹找到kuosanqifalan2，在【约束类型】中选择【对齐】，选择扩散器法兰2的端面和扩散器法兰1的端面，【偏移】类型选择偏移距离3740；单击【添加新约束】按钮，选择【对齐】，选择扩散器法兰2的中心轴和扩散器法兰1的中心轴，【偏移】类型选择【重合】，单击【确定】完成扩散器法兰2装配。如图4-22所示。 图4-22 扩散器法兰2的装配（5）装入第四个零件（前底座） 从特征操作按钮区中选取【将元件添加到组件】工具，在打开的文件夹找到qiandizuo，在【元件放置】中选择【对齐】，选择前底座的中心线和扩散器锥体的中心线；单击【添加新约束】按钮，选择【匹配】，选择前底座的侧面和扩散器法兰的端面，【偏移】类型选择【重合】，单击【确定】完成前底座装配。同理装入扩散器后底座，结果如图4-23所示。 图4-23底座的装配（6）装入第五个零件（扩散器支撑） 从特征操作按钮区中选取【将元件添加到组件】工具，在打开的文件夹找到kuosanqizhicheng，在【元件放置】中选择【匹配】，选择扩散器支撑的中面和扩散器的中面；单击【添加新约束】按钮，选择【对齐】，选择扩散器支撑的长侧面和法兰的端面，【偏移】类型选择-19