（机械工程专业论文）吹吸机设计分析研究.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：- 委牡日 期： 导师签名：丞丝日期：导师签名：召姥竺y 二日期： 吹吸机设计分析研究摘要 吹吸机设计分析研究 摘要 目前，国内研发生产吹吸机的企业尚没有形成一个统一的可供研发人员设计研发 的参考标准，且目前大多企业在设计研发过程中主要采用实验的方法对设计进行验 证，由此带来研发生产周期长、实验成本高，而增加了产品的成本，最终导致降低产 品在市场中的竞争力。因此有必要对吹吸机进行设计分析研究。 本文介绍了吹吸机主要性能与功能在实现过程中的因素分析，如吹吸机的风量、 风速、吹力、切碎比、振动、噪声等。而在实际的工作过程中，由于电机的振动、风 叶轮动平衡的大小，旋转组件( 电机及风叶轮) 与整机的配合等因素，容易导致吹吸 机工作中产生振动，从而出现不可靠、疲劳断裂等现象。其中风叶轮动平衡的大小对 吹吸机的振动影响最大，因此本文主要以吹吸机中的主要结构部件风叶轮为研究对 象，利用s o l i d w o r k s 软件对吹吸机叶轮进行了实体建模，然后利用有限元软件a n s y s 进行了模态分析，得到了在不同转速下吹吸机叶轮的固有频率及相应的振型。其中对 于非零转速，在其旋转时必然会产生相应的离心力。因此对于非零转速的情况，本文 首先分析出相应的预应力，然后分析了在预应力的影响下，叶轮在相应转速下的前五 阶固有频率。通过分析，可以得出叶轮共振时的激振频率和转速。最后，论文以吹吸 机风叶轮的材料参数为目标，对叶轮进行了优化设计，优化结果使叶轮避免了共振的 发生。经优化后整机的振动量从4 0 m s 2 ，降低到3 0 1 1 1 s 2 ，且风叶轮的成本也降低了3 0 左右。 本文对吹吸机的主要性能与功能在实现过程中的因素进行详细分析，同时对吹吸 机中的风叶轮的振动进行了分析和优化，对吹吸机的研发人员在进行吹吸机设计研发时 具有较大的参考价值，同时对其它叶轮机械旋转部件的振动研究也有一定的参考价值。 关键词。吹吸机；性能与功能；风叶轮；模态；共振 作者：赵亚平 指导老师：郭旭红 a b 刚h 吣tt h ed 嚣i 印a n da m l y s i so f b l a 耐n g 柚ds u c t i m 卸h i n e t h ed e s i g na n da n a l y s i so fb l o 而n ga n ds u c t i o nm a c h i n e a b s t r a c t a tp r c s e n t ，也eb l o w i n g 粕ds u c t i o nm a c h i n ec o 印o r a t i o 璐a 陀s t i l ln o tf 0 肌e da l l i l i t e = dd e s i g n 觚dd e v e l o p m e n tr e f i c r c n c es t 锄d a r d sa v a i l a b l ef o rr & d p e r s o 曲e li nh o m e ， 衄dm o s tc o 印。枷。璐a d o p t 也ee x p 甜m e n t a lm e m o dt 0v e r i 匆也ed e s i g ni n 也ed e s i g na n d d e v e l o p m 即tp r o c e s s ，陀s u l t i n gi nr&dl o n gp r o d u c t i c y c l e ，m eh i g l lc o s to f e x p 嘶m e n t s ， e v t u a l l yl e a d i l l g t 0m e h i g h c o s to f l ep r o d u c t r e d u c i n g t l l e c o m p e t i t i v e n e s si nt h em 矾【e t t h e r c f o r ei ti sn e c e s s 龇yt 0a n a l y z et 1 1 ed e s i g nf 1 0 rb l o w i n g a n ds u c t i o n 蝴c h i i l e t h i sa n i c l ed e s c 抽e st l l em a i np e f f o m 啪c e 锄dt h ef ；l c t i 阿锄a l y s i so f 也eb l o w i n g 锄d 蚰c t i m a c h i n ei nt l l ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，s u c h 弱m ea m o u - n to fw i n db l o w i n g ，w i i l d s p e e d ，b l o w i n gf o r c e ，c h o p p e 也v i b 枷。玛n o i s e ，e t c i j lt h e t u a lw o r kp r o c e s s ，d u et 0m e v i b 枷o no fm em o t o r ，m es 娩eo ft t l ew i n di m p e l l e rb a l a n c i i l g 龇i dc o - o r d i n a t i o nb e t w e 髓 r o t a t i n gc o m p o n e n t s ( m o t o ra n dw i n di m p e l l e r ) 觚dt t l ew h o l em a c h i n e ，m eb l o w i n ga n d 吼l c t i o nm a c h i n ec a ne a s i l yb i i i n gv i b r a t i o 玛f a l l i b i l i t ya n df 撕g u e 触c t u 佗p h e n o m e n a a m o n g t 1 1 ef a c t o 璐，m es i z eo ft h ew i n di r i l p e i l e rb a l 锄c i n gb 血g st h ev i b m t i o nm o s t l y s o t 1 1 i sp a p e rt a ：k e 山ew i n di m p e l l e rw h i c hi s 也em 旬0 rs 仇l c t u m lc o i n p o n e n t s 嬲l eo b j e c to f s t u d y 璐i n gs o f l w a r es o l i d w o d ( st 0m o d e l 锄da n s y st 0 缸a l y z em o d ef o ri m p e l l e r 锄d i nt u m 痂a d i n g 也em l m m l 丘e q u 饥c i e s 锄dc o r r e s p o n d i n gm o d es h a p e so fi m p e l l e ra t d i 丘i e 呦ts p e e d s a tn 一z 啪s p 也t t l e n t r i m g a lf o r c ew o u l d0 c c u rw h i l er o t a t i n g ， t l l e r e f 0 他m ep 印c rf i r s ta n a l y z e st l l ec o l l r e s p o n d i n gp 咒- s 缸s s 龇l dt h ei m p e l l e r 衄咖l 丘鞠u e n c yi nt 1 1 e 行r s tf i v es 唧岫d e r 血ep r e - s 骶s s t l l 锄t l l ep 印e rf i n d st h ev i b m t i 丘弼u 钮c ya n dr o t a t i o 越ls p do ft t l ei m p e l l c r 佗s o n 加c ee x c i t a t i o n ，f i n a l l y 叩t i m i z e s 也e w i n di m p e l l e rm t e r i a lp a m m e t e 璐t 0a v o i dm eo c c u 玎e n c eo fr e s o 咖c e a r e ro p t i m i z a t i o 玛 也e 锄。岫to f 眦c h i n e 啊b m t i o n 似l u c e dt 03 0 i i l s 2 的m4 0 m s 2 ，觚dm ec o s to fw i n d i l p e l l e ra l 陀d u c e db ya b o u t3 0 t h ep a p e ra n a l y z e st t l em i np 盯f 0 珈唿n a n dt l l ef 犯t o 璐i nt t l ei m p l e m 衄t a t i o n p r o c e s si nd e t a i lf 0 rm eb 1 0 、i n g 粕ds u c t i o nm a c h i n e ，t 1 1 e n 孤m l y z 懿a n do p t i m i 2 宅st t l e w i n di m p e l l e rt 0a v o i dt l l e0 c c u l l r e n c eo f 懈o n a n c e ，w h i c hh 嬲g r e a t 他f i e r e n c ev a l u ef - 0 r 坠! 塑! ! 罂竺璺垒竺! ! ! ! ! ! ! 望! 竺! 竖竺璺墨竺垒竺坚竺垒! 翌!垒! ! 皇竺! r e l a t e dd e s i 印e 体锄dac e n a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rv i b r a t i o ns t u d yo fo l e r r o t a t i n g c o m p o n e n t s k e y w o r d s ：b l o w i n g 锄ds u c t i o nm h i n e ；p e r f o 咖a n c e 锄d 胁c t i o n a l i t y ；w i n di m p e l l e r ； m o d e ；r e s o n a n c e n l w r i t t e n b y ：z h a o y a p i n g s 叩e n r i s e db y ：g u o x u h o n g 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 吹吸机振动特性研究概述2 1 2 1 吹吸机简介2 1 2 2 吹吸机风叶轮振动特性研究3 1 3 本课题的主要工作5 第二章吹吸机主要性能与功能在实现过程中的因素分析7 2 1 风量控制7 2 1 1 叶轮几何尺寸及形状7 2 1 2 毂位选择8 2 1 3 风道的截面变化8 2 1 4 风叶轮端面与毂位之间的距离9 2 1 5 风道的密封l o 2 1 6 风道小毂位一侧距离风叶轮的距离1 2 2 1 7 布袋接头弯曲角度1 2 2 2 风速控制1 3 2 2 1 风道截面变化1 3 2 2 2 进风口通风面积1 4 2 2 3 进风口增加导向1 4 2 2 4 吹风口截面大小1 4 2 3 吹力控制1 4 2 4 切碎比控制1 5 2 5 振动的控制1 5 2 6 噪音控制1 6 2 7 本章小结1 7 第三章有限元数值计算方法介绍1 8 3 1 有限元概述1 8 3 2 有限元分析步骤1 8 3 3 a n s y s 软件介绍1 9 3 4 a n s y s 分析过程- 1 9 3 4 1 有限元模型的建立2 0 3 4 2 网格划分2 l 3 4 3 加载和求解2 2 3 4 4 结果后处理2 3 第四章吹吸机叶轮振动模态分析2 4 4 1 叶轮振动模态分析理论基础2 4 4 2 模态及模态分析介绍2 5 4 2 1 模态分析的概念2 5 4 2 2 模态分析的分类2 5 4 2 3 模态分析的发展2 5 4 2 4 模态分析的作用2 6 4 3 叶轮振动的固有频率2 6 4 4 叶轮的共振特性分析2 8 第五章基于a n s y s 的叶轮振动模态分析3 0 5 1 研究对象3 0 5 2 叶轮的三维实体模型的建立3 0 5 2 1s o l i d w o 如建立模型3 0 5 2 2s o l i d w o r k s 模型导入a n s y sw o 鼬e n c h 3 l 5 3 叶轮模态分析3 2 5 3 1 有限元网格的划3 2 5 3 2 材料属性设置3 2 5 3 3 边界条件3 2 5 3 4 a n s y s 模态分析求解方法3 3 5 3 5a n s y s 的静频和动频计算3 3 5 3 6 求解和查看模态分析结果3 3 5 4 本章小结4 4 第六章吹吸机风叶轮的优化设计4 5 6 1a n s y s 优化设计4 5 6 1 1a n s y s 优化设计的主要步骤4 5 6 1 2a n s y s 优化工具4 5 6 2 吹吸机风叶轮的优化设计4 6 6 3 结果分析4 7 6 4 结论5 4 第七章总结与展望5 6 7 1 研究结论5 6 7 2 课题展望5 6 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 l 致谢6 2 吹吸机设计分析研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着我国草坪业和城市绿化建设迅猛发展，与之联系紧密的园林机械业也热了起 来，现在市场上各种用途的园林机械已是琳琅满目。专家预测，未来几年，国产园林 机械将在国内市场占据主体，并逐步打入国际市场。而吹吸机作为园林机械的一种， 目前我国吹吸机产业由小到大，迅速发展，现已成为一个产品门类比较齐全、创新能 力不断增强、市场需求十分旺盛的朝阳产业。特别是近年来，吹吸机产业发展速度进 一步加快，不但产量增加，而且产品出口的数量和科技含量也不断提升。据有关专家 预测，在今后的十至十五年，我国吹吸机产业将进入高速发展阶段。但与此同时，也 要看到我国的吹吸机产业发展基础薄弱，为加速提高我国吹吸机产业的技术创新能 力、加强吹吸机研发的产、学、研结合，已经成为当务之急。据调查，目前国内研发 生产吹吸机的企业尚没有形成一个统一的设计研发的参考标准，因此有必要对吹吸机 在设计过程中的主要性能与功能影响因素及实现方法进行详细的分析、研究。且目前 大多企业在设计研发过程中主要采用实验的方法对设计进行验证，由此带来研发生产 周期长、同时由于实验成本高，而增加了产品的成本，降低了产品在市场中的竞争力。 而近年来，随着振动理论研究的不断深入，以及与其相关的其它的科学的发展，人们 渐渐地改变了传统的结构设计观念。振动特性分析在结构设计和评价中已经具有越来 越重要的位置了。利用模态分析得到模态参数等结果这一方法进行振动问题的分析己 经成为振动工程界最为广泛的研究领域之一。而吹吸机在实际的工作过程中，由于电 机的振动、风叶轮动平衡的大小，旋转组件( 电机及风叶轮) 与整机的配合等因素， ( 其中风叶轮动平衡的大小影响最大) 导致了吹吸机工作中出现不可靠、疲劳断裂等 现象。并且当系统的固有频率等于激振力频率的时候，会产生共振现象，因此有必要 对吹吸机的振动进行相关的有限元分析，尽量避免共振现象的发生。本文主要是对吹 吸机中影响振动的主要结构风叶轮进行了振动特性分析。 第一章绪论吹吸机设计分析研究 1 2 吹吸机振动特性研究概述 1 2 1 吹吸机简介 吹吸机主要由驱动装置、叶轮、风机、风管、皮带轮、蜗轮蜗杆等组成，主要是 依靠驱动装置电机带动离心式风叶轮，在机体内部产生负压，空气通过吸风筒流向机 体内部来补充机体内部的负压，这样树叶就被流动的空气带到吹吸机机体内部，再被 风叶轮切碎，甩出吹吸机的布袋接头，进入布袋，将树叶收集起来。吹吸机主要用于 打扫凋零的树叶，减轻清扫树叶的劳动强度，提高清扫效率。吸叶机主要有：电动吹 吸机、动力吹吸机、交流吹吸机、粉碎式吹吸机、引擎吹吸机、园林吹吸机、自走式 吹吸机、自走式薄荷吹吸机等。吹吸机广泛应用于农业、林业、畜牧业、园艺、绿化、 果园、树林、公路花圃、高尔夫球场等领域。目前，吹吸机较大的品牌有t o r o 、r y o b i 等，且均有吹吸转换专利。 吹吸机可分为吸状态、吹状态，两种状态是依靠电机带动离心式风叶轮，将机体 内部的空气甩到吹风筒，吹风筒截面积在空气气流流动的方向是逐渐缩小的，这样出 风风速逐渐增加，在出风筒出口处达到最大，依靠吹力将树叶吹走。 吹吸机按照结构形式可分为单吹风机、一体式和更换附件式。单吹即只有吹风功 能如图1 1 所示；一体式指的是吸风装置和吹风装置是一体的，不可分离的，吹吸转 换主要是根据转换阀门机构来实现的，典型的代表产品有b v - a 2 0 0 l ，如图1 2 所示； 更换附件式是指吸风装置和吹风装置是两套不同的附件，吹吸转换主要是根据更换这 两套附件来实现的，典型的代表产品有b v a 1 5 0 2 ，如图1 3 所示。 图1 1 充电单吹 2 吹吸机设计分析研究第一章绪论 图1 2 吹吸一体式 1 2 2 吹吸机叶轮振动特性研究 图l - 3 吹吸转换 近年来，振动模态分析已经成为研究结构振动的一个比较好的方法。通过对结构 进行振动模态分析，可以得到结构的固有频率和振型，得到的分析结果是进行动载荷 结构设计的最重要的参数。振动模态分析也是研究吹吸机风叶轮振动的非常有效的方 法。对于吹吸机工作叶轮，在外界激振力的作用下，必然会产生相应的振动，在实际 的工作过程中就会产生噪声。然而，对于实际工作中的吹吸机风叶轮，本身不希望有 3 第一章绪论吹吸机设计分析研究 振动产生，尤其是共振的发生。如果在实际的工作中，风叶轮长期处于比较严重的共 振中，风叶轮会很容易产生疲劳，这样会对吹吸机风叶轮的寿命产生很大的影响，从 而进一步影响吹吸机整机的正常工作。因此，为了使风叶轮能够长期在非共振的环境 下工作，有必要对风叶轮的振动特性进行研究分析。经理论分析，得到叶轮的固有频 率和振型，经过设计优化，避免了叶轮的固有频率和激振力频率相同或相近，从而避 免共振现象的发生。 振动模态分析主要是解决工程中遇到的设计、减振、诊断、降噪、提高产品性能 与质量等问题。目前，模态分析的应用已经达到了一个崭新的高度。模态分析在许多 工程领域都得到了大量的应用，并且随着科学技术的发展，模态分析在工程领域的应 用范围会更加广泛。在许多科学技术发达的国家，模态分析技术早己进入工厂化应用 阶段，如在美国一些大汽车公司的试验中心己设有车间，专门对汽车各零部件进行模 态分析试验，为结构设计与研究提供动特性数据。在我国也开展了许多对叶轮、叶片 的有限元分析研究。通过这些分析，得到振动的模态参数，从而为由振动引起而出现 的叶轮、叶片损坏事故提供参考和依据。 在文献【l 】中，袁海峰以振动分析理论分析为基础，利用s o l i d w o 舡对叶轮叶片 进行了三维实体模型的建立。并利用有限元软件a n s y s 对叶轮叶片进行了振动模态 分析，得到了叶轮叶片的前五阶振型及固有频率，对叶轮叶片进行了共振特性分析。 文中还将实验测得的某两个位置的应变值与用a n s y s 计算相同位置处的应变值进行 了对比，为今后的分析、设计、优化打下了良好基础。 在文献1 2i 中，陈朝辉运用i d e a s 软件建立了增压器压气机壳、涡轮壳和压气机 长、短叶片、涡轮叶片的实体模型，并计算、分析了增压器的压气机长短叶片的静频、 动频分析以及涡轮叶片的静频、动频分析，从而得到了各阶固有频率及相应的振型。 经过分析对比，找出了叶片共振时的频率，从而为控制增压器叶片的振动提供了理论 依据。文中还利用f l u 衄t 软件对压气机内流场进行了分析。这些分析为模态分析和压 气机内流场的进一步探索奠定了一定的基础。 在文献1 3 】中，李伟研究了带有预扭角变截面汽轮机旋转叶片系统的振动问题。 采用n e w m 破逐步积分法对叶片系统的运动微分方程进行数值求解，并对旋转叶片 系统的位移响应进行数值仿真，然后用m a t l a b 程序对仿真数据进行了可视化处理。 4 吹吸机设计分析研究第一章绪论 经分析，得到了角速度和预扭角对叶片振动的影响，转速对叶片系统频率的影响。最 后，利用a n s y s 软件对旋转叶片系统进行了振动模态分析。文中推导及分析的结果 对于工程实际中具有预扭角变截面的旋转叶片振动问题具有一定的理论意义及工程 应用价值。 在文献1 4 l 中，陈立明对汽轮机叶片轮盘系统的振动特性进行了深入、全面的分 析研究。采用三维有限元技术、波传播理论、预应力模态分析等数值分析方法。通过 分析，得到了零转速和工作转速下的振动模态参数，且进一步研究了叶根尺寸误差对 叶片固有频率的影响。此项研究结果为汽轮机关键部件叶片轮盘系统的振动特性研 究提供了有效的数值方法，并且对工程具有较大的现实意义。 在文献1 5 i 中，李娜利用i d e a s 中p r g 的特点及关键技术建立了压气机叶片的 三维模型，划分了有限元网格，进行了静强度分析。并将i d e a s 中的模型导入a n s y s 中，对叶片和叶轮分别进行了模态分析。最后，对捱气机叶片质量进行优化，优化结 果使叶片的质量减小了9 3 。该文的分析和优化结果对叶轮机械全方位评价和设计 系统的发展具有较好的工程应用意义。 在文献1 6 l 中，刘淑华利用有限元程序a n s y s 分析了某祸轮增压器离心式压气机 工作轮的振动特性。计算了导风轮叶片、轮盘自振频率、压气机工作轮在静频和动频 两种状态下结构的自振频率。文中还对导风轮叶片进行了测频和模态分析实验。通过 分析找出了导风轮叶片断裂原因，并提出了可行性的解决方案。分析的结果为结构故 障的分析提供了理论依据。 在文献7 1 中杨建利用c a d 软件p r 0 e n g i n e e r 对船用涡轮增压器的压气机叶轮 进行了三维实体建模，并利用有限元分析软件a n s y s 对叶轮进行了不同转速下的模 态分析，得到了不同转速下压气机叶轮的固有频率及相应的振型。通过分析，得出叶 轮共振时的激振频率和转速。最后对叶轮进行了优化设计，优化结果使叶轮避免了共 振的发生。文中对叶轮振动进行了分析和优化，对实际的工程具有较大的现实意义， 同时对其它叶轮机械旋转部件的振动研究也有参考价值。 1 3 本课题的主要工作 本文介绍了吹吸机主要性能与功能在实现过程中的因素分析，如吹吸机的风量、 第一章绪论吹吸机设计分析研究 风速、吹力、切碎比、振动、噪声等。在实际的工作过程中，由于电机的振动、风叶 轮动平衡的大小，旋转组件( 电机及风叶轮) 与整机的配合等因素，容易导致吹吸机 工作中出现不可靠、疲劳断裂等现象。其中风叶轮动平衡的大小影响最大，因此本文 主要以吹吸机中的主要结构部件风叶轮为研究对象，利用s o l i d w o r k s 软件对吹吸机叶 轮进行了实体建模，然后利用有限元软件a n s y s 进行了模态分析。得到了在预应力 的影响下，不同转速下的叶轮振动的前五阶固有频率值以及相对应的振型图。通过固 有频率与激振力频率进行对比，发现了该吹吸机叶轮容易发生共振现象。进而以吹吸 机叶轮材料为目标，对该吹吸机叶轮进行了优化设计。通过分析得到了优化后的叶轮 降低了共振现象发生的可能性。本文的结构安排如下： ( 1 ) 介绍了课题研究的目的和意义，吹吸机振动特性研究概述，国内外振动模 态现状以及本文的主要结构安排。 ( 2 ) 介绍了吹吸机主要性能与功能在实现过程中的因素分析，如吹吸机的风量、 风速、吹力、切碎比、振动、噪声等。 ( 3 ) 介绍了有限元概述，有限元分析步骤，以及a n s y s 软件的介绍和a n s y s 分析过程。 ( 4 ) 介绍了叶轮振动模态分析理论基础，模态及模态分析，叶轮振动的固有频 率，叶轮的共振特性分析。 ( 5 ) 用s o l i d w o r k s 建立了叶轮的三维实体模型，然后对叶轮进行了模态分析， 并对结果进行了相应的分析。 ( 6 ) 以吹吸机风叶轮的材料为变量参数对吹吸机进行了优化，并进行了详细的 分析。 ( 7 ) 总结和展望。 6 吹吸机设计分析研究第一二章吹吸机主要性能。孑功能在实现过程中的冈素分析 第二章吹吸机主要性能与功能在实现过程中的因素分析 影响吹吸机工作性能的主要指标有吹吸机的风量、风速、吹力、切碎比、振动、 噪声等，下面就这几个重要的指标进行详细的阐述与分析。 2 1 风量控制 风量是吹吸机很重要的一个性能指标，它是吹吸机在吸状态的一个性能指标，它 是指空气在单位时间内通过吹吸机的容积。通常标准中规定吹吸机风量要求：4 0 0 m 3 i l ，而最大可达4 5 0m 3 i i 以上。吹吸机风量上述要求是通过风量测试仪测得，而各 个厂家的测试方法不尽相同，在与其它厂家进行数据对比时要考虑测试方法的不同， 会有不同的测试结果。影响吹吸机风量的因素较多，主要有以下几种： 2 1 1 叶轮几何尺寸及形状 ( a ) 叶片形状。吹吸机叶片常见的有三种：后弯式、径向式、前弯式，对分量 的影响以及效率见下表2 1 。 表2 1 叶片形状 风叶形式勰祭磊黔鳓 一一一 前弯式径向式后弯式 速度能 大中小 比较在相 压力能小中 大 同转速下负载大小 大中小 输出特性 效率高低 小中大 是否推荐否否是 经分析、比较后叶片形状选择后弯式。 ( b ) 风叶直径。风叶直径越大，负载就越大，同时风量越大。设计中一般推荐直 径为1 2 0 坍册，如b c 3 6 风轮。 ( c ) 风叶高度。工作叶片越高，负载就越大，同时风量越大。设计中一般推荐风 7 第二章吹吸机主要性能与功能在实现过程中的因素分析 吹吸机设计分析研究 叶高度为2 4 历m ，如b c 3 6 风轮。 2 1 2 毂位选择 吹吸机风道毂位理论设计采用渐开线形式，而实际应用中因为完整的渐开线尺寸 较大，往往用圆弧衔接替代渐开线，如下图2 1 所示。 ( a ) 理论渐开线 ( b ) b v 二a 1 5 0 2 毂位曲线( c ) 其它毂位曲线 图2 1 毂位选择 设计吹风机时，毂位的尺寸变化对风量有较大的影响，推荐优先选用b v a l 5 0 2 毂位形式，因为确定一种毂位形式需要大量的试验测试验证。 2 1 3 风道的截面变化 吹吸机在吸风状态，要保证风量最大化，必须确保风道截面变化从大到小再到大 的变化过程。从吸风筒到风叶轮阶段，风道截面变化应该由大到小；从风叶轮到布袋 接头出屑口，风道截面应该由小到大。下图2 2 ( a ) 为正确的风道截面设计，( b ) 、 ( c ) 为设计中常见的误区。 进 风 截 面 积 由 大 到 小 ( a ) 风道截面设计- 好( b ) 风道截面设计不好( c ) 风道截面设计不好 图2 - 2 风道截面设计 8 鬻日 吹吸机设计分析研究第二章吹吸机主要性能i 功能在实现过程中的冈素分析 图( a ) 中风道截面变化按照大小大的顺序，可以保证出风顺畅。图( b ) 中， 吸风筒截面变化由小到大，会影响进风风量，从而影响到整机的风量。图( c ) 中， 布袋接头截面变化由大到小，离心风叶轮甩出来的风由于截面变小没有完全出来，从 而直接影响到整机的风量。 2 1 4 风叶轮端面与毂位之间的距离 叶轮端面与毂位的距离会影响吹吸机的抽风效果。理论上风叶轮与毂位的距离为 零时，风叶轮的抽风效果最好，但吹吸机实际工作中要保证运动零件与静止零件不能 相碰，且考虑到风叶轮高速旋转下会产生一定的变形，如图2 3 所示。因此在实际设 计中推荐风叶轮端面与毂位之间的距离为3 n 瑚，而在风叶轮变形倒向的一侧距离为 4 m m ，如图2 4 所示。 变形前风叶轮 变形后风叶轮 图2 3 风叶轮高速转动下产生变形图 图2 - 4 风叶轮距离毂位侧面距离 设计中若风叶轮端面与毂位之间的距离太小有可能导致风叶轮与毂位相擦，导致 风叶轮破裂，整机功能丧失，严重的会刺穿风道，引起人身伤害，这点在设计中应该 特别注意。风轮、毂位破裂如图2 5 所示。 9 第二章吹吸机主要性能与功能在实现过程中的因素分析吹吸机设计分析研究 2 1 5 风道的密封 ( a ) 风轮破裂图 嘞毅位破裂图 图2 5 风轮、毂位破裂图 风道的密封主要包括吸风筒与机壳的密封、布袋接头与机体的密封、风道毂位、 风道毂位拼合处密封等方面。 ( a ) 吸风筒与机壳的密封 吸风筒与机体配合处靠结构密封，吸风筒外径与机体进风口处圆的配合径向间隙 单边0 3 o 5m m ，配合长度大于3 0 衄，机体在风筒的末端长一翻边筋位，即增加两 者配合密封，又可以防止风筒端面磨损，如图2 6 所示。 图2 6 吸风筒与机壳的密封 ( b ) 布袋接头与机体的密封 布袋接头与机体出风口密封除了防止风量损失外，同时也可以防止灰尘泄露，建 议结构为布袋接头在与机体出风口配合处增加一小间隙配合区域，如图2 7 所示。 l o 吹吸机设计分析研究 第二章吹吸机主要性能与功能在实现过程中的 l = l 索分析 图2 7 布袋接头与机体的密封 ( c ) 风道毂位要完整 通常风道毂位由左右机体合成，考虑到机体外形形状以及出模结构，有些风道毂 位需 要进行局部调整，为了使毂位风道完整，通常做第三个零件保证风道的完整性，同时 也保证了整机的性能，如图2 8 所示。 劬7 局部拉直 方便模 ， 图5 3s o i i d w o r k s 导入到a n s y sl f _ i f 内模，魁图 第五章基于a n s y s 的叶轮振动模态分析 吹吸机设计分析研究 5 3 叶轮模态分析 5 3 1 有限元网格的划 本文所选择的单元类型是s o u d l 8 7 。采用四面体单元对吹吸机风叶轮进行自由 网格划分。本次网格划分采用了智能尺寸控制技术来自动控制网格。首先，对于己经 导入到a n s y s 中的叶轮模型，通过a n s y s 中的p 1 0 t 下的l i n 髓选项取模型上的所 有的线单元，然后运用m d l t 0 0 l 设置每个单元的长度为l 伽衄。对于叶片和轮盘的 交接处可能产生应力集中，因此必须进行进一步地细化。然后选中叶片与轮盘的交界 处的线单元，设置了单元长度为3 衄，最终完成了尺寸的设置，进行网格的划分。 网格划分的最终结果是共有1 1 3 4 0 7 个节点，6 9 5 4 9 个单元。网格划分结果如下图5 4 。 图5 4 叶轮网格图 5 3 2 材料属性设置 本吹吸机叶轮采用铝合金制成，其材料参数为： 弹性模量：7 l 0 0 0 m p a 密度：2 7 7 e 0 0 3 l 【g o 泊松比：0 3 3 5 3 3 边界条件 吹吸机叶轮是在其轴孔处固定，所以取全部被约束，即次= 0 ；砂= o ；沈= o 。 3 2 吹吸机设计分析研究 第五章基于a n s y s 的叶轮振动模态分析 5 3 4a n s y s 模态分析求解方法 a n s y s 提供了六种求解分析的方法。即：b l o c i 【l 锄c z o s 法、p o w e r d ”a m i c s 法、 子空间、非对称法、缩减法和阻尼法。根据实际情况，本文采用的是b l o c k l 锄c z o s 法进行模态的提取。 5 3 5a n s y s 的静频和动频计算 静频就是风叶轮在静止状态下计算出来的频率。而动频是一定的转速下，在考虑 离心力作用下叶轮的固有频率。其实两者的计算过程基本上相同，只不过是在进行动 频计算的过程中首先要进行预应力分析1 0 i i l l i ，这个预应力主要是由于风叶轮离心力 作用得到的。在设置过程中，即在施加完载荷和边界条件之后要先选中其中的 p 陀s 仃c s s ，进行静力计算。静力计算后，在指定分析类型和分析选项的菜单中选中 p r e s 仃e s se 疏c t s ，即把得到预应力考虑在后续的模态分析之中。通过此计算得到的就 是风叶轮在不同转速下动频值。 5 3 6 求解和查看模态分析结果 本文首先分析了叶轮在0 r p m 的前5 阶模态。然后对于非零转数，首先分析了相 应转速下的预应力，然后分析在相应预应力影响下，叶轮的前五阶固有频率。由于该 叶轮主要工作在1 5o o o 印m 2 0o o o 印m ，因此本文主要分析了1 5 0 0 0 印m 和2 0 0 0 0 r p m 的动频值。计算完毕之后，通过通用后处理器，提取各个转速下的前五阶振型图，并 给出了两种转速下叶轮的前五阶固有频率。下面首先分析前五阶静频值。零转速下前 五阶振型图如下图5 5 、图5 6 、图5 7 、图5 8 、图5 9 。 3 3 2 “f m q i | e n c y ：6 4 0 9 时_ 0 0 簟1 n ；0 0 0 0 e + 0 0 2 0 1 2 3 ，1 31 9 ：0 5 4 0 9 4 8 0 b 4 2 0 7 3 6 0 6 3 0 0 5 2 4 m 1 8 0 3 1 2 0 2 0 6 0 l 0 0 呓 图5 5 零转速下的第一阶振型图 图5 6 零转速下的第二阶振型图 nhu=二=门hu_誓 4 t h i ： i u 、： 2 0 1 2 0 0 2 5 图5 7 零转速下的第三阶振型图 图5 8 零转速下的第四阶振型图 3 5 第五章基于a n s y s 的叶轮振动模态分析吹吸机设计分析研究 图5 9 零转速下的第五阶振型图 从上面的振型图可以看，零转速下前五阶振型图完全不同。随着阶数的增加，固 有频率值也相应的增加。其中第一阶固有频率值为1 7 5 3 h z ，第二阶固有频率值为 2 1 9 6 h z ，第三阶固有频率值为2 2 0 4 h z ，第四阶固有频率值为2 2 4 7 h z ，第五阶固有 频率值为2 2 4 7 h z 。对于第一阵型图，可以看出，风叶轮叶片顶部应力最大，从叶轮 的外径到内径处，叶轮的位移量逐渐变小。对于第二阶和第三阶振型图，部分叶片的 顶部发生的位移量最大，而与轮盘接触附近的位移量最小。对于第四阶和第五阶振型 图，可以看出，叶片顶部位移量较大，而轴孔处较小。 对于1 5 0 0 0 r p m ，首先进行静态分析，分析得到了在这个转速下的预应力。图5 1 0 是1 5 0 0 0 印m 下的叶轮的v o nm i s e s 等效应力图。 图5 1 01 5 呻p m 下的叶轮的v 饥m i s 伪等效应力图 从叶轮应力分布云图可以看出，叶片顶端所受应力值较小，轮盘的外边缘处所受 应力值也较小。图5 1 l 、图5 1 2 、图5 1 3 、图5 1 4 、图5 1 5 是1 5 0 0 伽p m 下的前五 阶振型图。 i np r e 埘嘶 一l ：3 2 6 l e + 口 i i a ：0 0 0 0 + o 2 0 1 “3 ，i3l9 下的叶轮的第一阶振型图 3 7 l 9 a 4 2 9 7 5 2龉孵盯冲叭“惦佗蛐 3 2 2 2 l 0 0 0unnu 第五章基于a n s y s 的叶轮振动模态分析吹吸机设计分析研究 3 r df r e 嗍c yi o 鼍a x ：5 2 2 5 砌0 0 i u 、：0 0 0 0 e + 0 0 0 2 0 1 2 3 1 31 9 ：0 7 5 ，2 2 5 4 6 d 5 4 0 甜 3 4 鲥 2 9 0 3 2 3 2 2 1 t 哇2 1 1 6 l 0 5 8 1 d 图5 - 1 21 5 0 0 0 r l 瑚下的叶轮的第二阶振型图 图5 1 31 5 0 i p m 下的叶轮的第三阶振型图 吹吸机设计分析研究第五章基于a n s y s 的叶轮振动模态分析 4 t h h 疆1 n 2 0 l 5 t h i a z ： i i n ： 2 0 1 2 图5 1 41 5 0 0 岫下的叶轮的第四阶振型图 图5 1 51 5 0 0 0 叩m 下的叶轮的第五阶振型图 3 9 笫五章基于a n 吼毽的叶轮振动模态分析吹吸机设计分析研究 从上面的振型图可以看出，1 5 0 0 0 r p m 下叶轮的前五阶振型图也完全不同。随着 阶数的增加，固有频率值也相应的增加。其中，第一阶固有频率值为1 7 7 1 h z ，第二 阶固有频率值为2 2 1 2 h z ，第三阶固有频率值为2 2 1 9 h z ，第四阶固有频率值为2 2 7 0 h z ， 第五阶固有频率值为2 2 7 艇也。现分析一下各阶振型图，对于第一阶振型图，可以看 出，叶片顶部位移较大，轴孔处位移最小。对于第二、第三阶振型图，少数叶片的顶 部位移较大，在轴孔及轴孔附近的轮盘处位移较小。从第四、第五阶振型图可以看出， 部分叶片顶部位移较大，轴孔处及轴孔附近轮盘的位移量较小。 对于2 0 0 0 0 q 姗，同样首先进行了静态分析，分析得到了这个转速下的预应力。 图5 1 6 是2 0 0 0 0 i 】p m 下的叶轮的v 姐m i s e s 等效应力图。 图5 1 62 岬下的叶轮的v m i s 髂等效应力图 从叶轮应力分布云图可以看出，叶轮的叶片尖端所受应力值较小，轮盘的外边缘 处所受应力值也较小。整体的应力云图分布与1 5 0 0 0 掣相似。图5 一1 7 、图5 1 8 、图 5 一1 9 、