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罗茨风机动态特性数值分析

罗茨风机动态特性数值分析

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罗茨风机是一种量大面广的通用机械,被广泛应用于化工、电力、水产养殖、污水处理等领域的各种气体输送,是一种重要的工业装备。罗茨风机结构复杂,形式多样,振动耦合严重,如果转子系统的固有频率和风机箱体的频率一致或相近,则会引起箱体的共振,从而增大风机振动噪声,因此罗茨风机的振动、噪声已成为妨碍风机提高工作效率、安全性和稳定性的重要因素[1] 。罗茨风机在工作中主要承受转子不平衡力、气体脉动力、气体压力、齿轮啮合力、叶轮啮合冲击力等的作用,使转子系统既扭转又弯曲,产生严重的疲劳破坏,这对其他零件也会产生很大的影响。因此比较准确地得到应力、应变的大小以及罗茨风机的固有频率和振型对其设计有很大的作用,罗茨风机的有限元模型在一定频率范围内能较好地表征其物理模型的动态特性。有限元法在振动噪声方面已经有了一定的研究,谭青等[2]对离心式鼓风机转子采用集中参数法建模,利用传递矩阵法编程求解转子不平衡响应,并提出一种基于振型分析的最大值估算法。王加锋等[3]对旋叶式压缩机转子建立有限元模型,分析了前10阶的固有频率和振型,分析结果显示转子系统的振动形式主要有平动、转动和弯曲。李俊伟等[4]借助有限元分析软件,对回转平台各离散典型位置进行模态分析,计算出回转平台各典型位置状态下的固有频率和振型,计算结果显示振动程度最大处都在悬臂端。杨晓红等[5]针对异步风力发电机转子及端部风扇进行了建模和动特性有限元分析计算,采用分块兰索斯法对转子和风扇的前4阶固有频率和振型进行了求解,结果显示风力发电机转子3阶振型形变为弯扭耦合形变,1阶、4阶振型形变沿Y轴方向,2阶振型形变沿X轴方向。张瑞华[6]利用有限元法对鼓风机框架式基础建立模型,采用共振振幅法,计算出结构固有频率、振型以及振动速度幅值,并根据计算结果,调整框架参数设计,从而达到隔振减振的效果。钱网生等[7]采用低噪声结构设计和振动模态试验技术相结合的方法,来降低船用空调通风机噪声。钮冬至[8]利用ANSYS软件对轴流通风机叶轮振动特性进行分析,建立了轴流通风机叶轮的有限元模型,计算出叶轮的固有频率和振型。以上研究多是采用有限元方法对风机转子的振动特性进行数值计算,很少有针对风机整体模型进行谐响应分析的。对风机壳体和转子系统进行谐响应分析,不仅能够确定风机运行状态下的振动特性,还可以得到壳体和转子表面的振动速度以及关键位置处的频率响应曲线,从而为风机振动噪声特性的数值研究打下基础。

罗茨风机部件主要包括:转子系统、机体、轴承座、前油箱、齿轮箱等。其中转子系统主要尺寸有:转子系统总长605mm,叶轮最大宽度59.86mm,叶峰到叶轮中心的距离87.5mm,叶轮总长350mm,叶轮轴最大直径55mm,轴为阶梯状结构;齿轮法向模数2.5mm,齿数48,压力角20°,分度圆直径120mm,齿宽45mm。罗茨风机机体和叶轮材料为HT200,齿轮材料为20GrMnTi,转子轴材料为45号钢。

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