轴流压缩机动叶片模态分析方法研究.pdf

第5 1 卷第8 期 V 0 1 5 1 N o 8 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 3 年8 月 A u g u s t2 0 1 3 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 8 0 1 5 林茂武 李凯华 于百芳 1 1 0 8 6 9 辽宁省沈阳市沈阳鼓风机集团股份有限公司 摘要 基于某轴流压缩机第1 级动叶片 在精确建立其几何模型的基础上 通过有限元仿真方法提取了前 1 0 阶固有频率及模态振型的计算值 然后通过试验测试方法对其进行了模态测试 得到了前1 0 阶固有频 率及模态振型的实测值 并将理论计算结果和实际测试结果进行了对比 关键词 轴流压缩机叶片有限元仿真模态分析动力特性试验 中图分类号 I I 1 4 5 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 3 0 8 0 0 5 6 0 4 R e s e a r c ho nM o d a lA n a l y s i sM e t h o df o rR o t o rB l a d e so fA x i a lF l o wC o m p r e s s o r s L i nM a o w u UK a i h u a Y uB a i f a n g S h e n y a n gB l o w e rW o r k sG r o u pC o L t d S h e n y a n gC i t y L i a c n i n gP r o v i n c e11 0 8 6 9 C h i n a A b s t r a c t B a s e do na c c u r a t eg e o m e t r ym o d e le s t a b l i s h m e n to ft h ef i r s tr o t o rb l a d e so fa na x i a lf l o wc o m p r e s s o r t h ef i m t1 0 s t a g e sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d a ls h a p e sh a v eb e e nc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d A n dt h em o d a lt e s th a sa l s ob e e n c o m p l e t e db ye x p e r i m e n t st om e a s u r et h ef i r s t1 0s t a g e sn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d a ls h a p e s A n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e v a l u e so ft h ec a l c u l a t e da n dt h em e a s u r e dh a sb e e nc o m p l e t e d K e yw o r d s r o t o rb l a d e so fa na x i a lf l o wc o m p r e s s o r f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n m o d a la n a l y s i s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st e s t O 引言 随着轴流压缩机市场的壮大及性能参数的不 断提升 对轴流压缩机的设计制造也提出了更高的 要求 其中尤为重要的是轴流压缩机叶片作为轴流 压缩机最核心的零部件 其可靠性直接影响着整机 的性能参数嘲 为了保证叶片的可靠性 在设计阶 段需要重点考虑的是动叶的固有频率要避开激励 源的频率 以免发生共振破坏 为了保证叶片满足 频率校核规范 在设计阶段 首先需要建立叶片的 三维模型 通过有限元计算得出叶片固有频率的理 论值 若计算不合格 则需要修改叶型等参数 直到 核算通过 对加工后的叶片则必须用试验的方法 测试出叶片的各阶模态并符合频率校核要求圈 本文选取某轴流压缩机的第1 级动叶片为研究 对象 通过有限元方法对其进行仿真分析 然后对于 加工后的叶片进行试验测试 分别提取出叶片的前 1 0 阶固有频率及模态振型 根据试验得出的固有频 率值及模态振型来验证有限元仿真得出的结果 1叶片的有限元计算 本文采用S o l i d W o r k s 三维造型软件建立轴流 收稿日期 2 0 1 3 6 0 7修回日期 2 0 1 3 0 6 2 4 压缩机叶片的三维实体模型 然后将三维实体模 型导人A N S Y S 软件 进行有限元网格划分 叶片 的有限元模型如图l 所示 图1 叶片有限元模型 F 畸 1 B l a d ef i n n ee l e m e n tm o d e l 输人材料的弹性模量为2 2 8 G P a 泊松比为0 3 密度多 J 7 8 5 0 k g m 3 计算结果见表1 振型图见图2 裹1 叶片固有频率计算值 T a b 1C a l c u l a t e dw l u eo fb l a d en a t u r a lf r e q u e n c y 阶次固有频率 H z 3 3 7 3 l 5 3 8 4啪獬舭规孚 鲁姒 激 4 9 l l 2 3 4 5 5 第5 1 卷第8 期林茂武等 轴流压缩机动叶片模态分析方法研究 5 7 6 阶模态振型 型型型 7 阶模态振型8 阶模态振型9 阶模态振型1 0 阶模态振型 圈2 计算得出的前1 0 阶模态撮型 F i g 2P r e c e d i n g10s t a g e sm o d a ls h a p e sb yc a l c u l a t i o n 2动力特性试验测试 2 1 试验台及试验装置介绍 为了准确测试轴流叶片固有频率 我们建立 了专门的试验台 试验台上配有专用工装夹具 工 装采用与叶片尺寸相同的高光洁度弧面设计 保 证叶片与工装的全贴合 提高了试验的精确度 本文采用频谱分析的方法对轴流叶片进行动 力特性测试 测试系统示意图如图3 所示 电 荷 适 调 器 轴流叶片 I 型堇垩鱼l 圈3 测试系统示童圈 F i g 3S c h e m eo ft h et e s ts y s t e m 电 荷 适 调 器 测试设备硬件主要是 信号测试分析仪 电荷 适调器 压电式加速度传感器 力锤 软件产品 动态信号测试分析系统 模态分析 系统 2 2 测点规划 由于轴流叶片工作时是根部固定 根部以上为 扭曲的板结构 根据有限元分析可以得出叶片的振 动主要集中在叶身部分 所以测点的布置均设置在 叶片的叶身上 测点的位置布置需要遵循所布测点 能激发出叶片的各阶模态 并且尽量布置规则 以 便后期在模态分析软件中建立结构模型 测点个数 应足够 以保证在模态分析软件中能够体现出真实 且易于分辨的振型 综合以上考虑 在叶片的叶身 部分设置宽度方向均布的5 个测点 高度方向均布 的6 个测点 共3 0 个测点 测点布置如图4 所示 圈4 轴漉叶片模态游试测点布置圈 F i g 4L o c a t i o n so ft h em e a s u r i n gp o i n t so ft h eb l a d em o d a lt e s t 2 3 数据采集 本次试验采用多点激励单点拾振方式 针对 设置的3 0 个测点 依次进行信号采集 每个测点 进行1 0 次数据平均 每次敲击后均要校核是否过 载 数据是否合理 确认符合要求后进行存盘操 作 一个测点完成后 新建文件进行下一个测点的 测试 并修改在几何参数页面修改各通道的测点 号 然后将3 0 个测点的测量数据导人模态分析软 件中 进行后期的数据处理 2 4 模态试验结果 通过模态分析软件中的参数识别技术 4 1 将叶 片的前l O 阶固有频率及振型 阻尼比等数据提取 出来 为了体现模态结果的振型图 需要在模态分析 叁一 4 一 垂一 参一童4 一 5 8农业装备与车辆工程 2 0 1 3 正 软件中建立叶片的模型 由分析知 叶片振动主要集 中在叶身部分 叶身为三维扭曲结构 在试验模态分 析软件中精确建立其几何形状较复杂 由于叶身部 分近似为矩形结构 将叶片简化为规则的平面矩形 这样模拟虽然有少许误差 但大体符合叶片的结构 而且振动方向主要是沿着叶身平面的法线方向 所 以可以体现出真实的振型图 试验得出的前1 0 阶 固有频率如表2 所示 相应的模态振型见图5 表2 叶片固有频率实测值 T a b 2M e a s u r e dv a l u e so fb l a d en a t u r a lf r e q u e n c y 阶次固有频率 H z 3 9 8 6 3 8 5 2 0 5 1 5 3 0 7 6 1 7 4 9 2 7 2 8 4 3 0 2 3 5 6 6 8 9 4 4 6 5 3 3 5 0 1 7 0 9 5 7 4 1 1 6 6 2 3 9 3 6 固有频率的偏差 如表3 对表中数据做两点说明 1 叶片的固有频率 计算值和实测值的误差大部分在5 以下 可见试 验效果较好 2 叶片固有频率的计算值普遍略高 于实测值 其原因是因为测试过程中使用的加速 度传感器粘贴到叶片上 人为添加了附加质量 使 得固有频率值降低所致 表3 叶片固有频率计算值及实测值对比 T a b 3C o m p a d s o no ft h eb l a d en a t u r a lf r e q u e n c i e s b e t w e e nt h ec a l c u l a t e da n dt h em e a s u r e d 3 理论计算结果与实测结果对比4 结论 根据本文得出的固有频率实测数值及计算 值 将叶片的前l O 阶固有频率罗列 并计算各阶 本文以某轴流压缩机第1 级动叶片为研究对 象 对其动力特性进行了数值仿真分析及试验测 r I 阶模态振型 2 阶模态振型3 阶模态振型 4 阶模态振型5 阶模态振型 6 阶模态振型 1 7 阶模态振型8 阶模态振型 9 阶模态振型 图5 实测得出的前1 0 阶模态振型 F i g 5P r e c e d i n g1 0s t a g e sm o d a ls h a p e sb ym e a s u m 1 0 阶模态振型 下转第6 2 页 l 2 3 4 5 6 7 8 9 加 6 2 农业装备与车辆工程 2 0 1 3 钽 2 变量 组态项目中使用的变量均为全局变 量 它们带有P L C 链接 在P L C 上占据一个定义 的存储器地址 从O P 与P L C 上都可以对其进行 读与写访问 各输入域就对应于不同的全局变量 通过O P 上的按键输入可以更改这些参数变量从 而无须修改P L C 程序就能对控制流程进行调整 3 功能 组态项目对O P 上的1 7 个功能键进 行了组态 其中1 3 个用于通过O P 对系统装置进 行手动操作 4 个用于不同画面间的切换 手动操 作的实现方法是先在O P 中定义全局变量 然后 由功能键激发 在P L C 中对这些变量 占据的地 址进行逻辑操作 最后把操作结果输出到系统装 置 同时反馈到O P 中显示 5 试验及结果 以某汽车空调压缩机生产厂为测验结果 按 照目前的生产能力 每个检测人员平均每天需要 完成近3 0 0 台的检测量 参见表1 表1 汽车空调涓试系统使用前后的检测结果比较 T a b 1C o m p a r i s o no ft e s tr e s u l t sb e f o r ea n da f t e ru s i n g a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n e rd e t e c t i o ns y S t e m 使用状态日检测量需检测人员数平均检测时间产品返修率 本文通过对汽车空调测试系统使用前后的检 测结果比较 对比该系统的使用结果 试验结果表 明 该系统能够从实质上提升汽车空调压缩机生 产厂的检测效率 6结束语 该系统己经在某汽车空调压缩机厂投入正式 使用 使用结果表明 每台压缩机的平均测试时间 由原来的2 r a i n 缩短到了5 5 s 从而大大提高了测 试速度 满足了生产需要 同时也保证了压缩机的 质量降低了测试人员的劳动强度 参考文献 1 黄俊 汽车空调控制器自动测试系统的设计E D 荆州 长江 大学 2 0 1 2 2 邱庆 翁惠辉 习进路 汽车空调控制器自动测试系统的设计 J 长江大学学报 自然科学版 2 0 1 1 8 1 2 9 0 9 3 3 胡娟 田杰 缪鹏程 汽车空调压缩机用电磁离舍器耐久性测 试系统设计 蚌埠学院学报 J 2 0 1 2 1 5 I 4 4 葛渝清 基于笔记本电脑的汽车空调道路测试系统 J 汽车 电器 2 0 0 r 7 8 5 6 5 7 作者简介陈述官 1 9 7 8 男 副教授 高级技师 研究方向 汽 车维修 检测及故障诊断 E m a i l 1 3 1 7 3 4 3 2 4 5 q q c o r n 上接第5 8 页 试 并对数值仿真和试验测试结果进