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1、华中科技大学 硕士学位论文 小型离心风机试验台振动性能及叶轮强度研究 姓名：杨亮 申请学位级别：硕士 专业：化工过程机械 指导教师：舒朝晖 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着我国工业化进程的不断推进，离心风机越来越广泛的应用于国民经济的各行 各业，国内市场的生产和销售量非常大。离心风机叶轮强度校核的传统算法找不出叶 轮的应力集中处， 只能靠增加系统的安全系数来避免事故发生， 往往造成资源的浪费。 利用有限元分析软件就能很好的解决这一问题。 本课题组研制的风机由于受到安装条件的限制，由原先的钢制叶轮改为铝
2、制叶 轮， 材料的屈服极限大幅降低， 而转速仍为之前设计的 2800 转/min， 本文采用 ANSYS 有限元分析软件对叶轮的强度进行校核，需找出叶轮的最大应力，以及应力集中处， 如若叶轮达不到强度要求，需根据模拟结果对叶轮进行优化设计。 离心风机在运行过程中由于叶轮的不平衡量引起风机的振动，对周围环境影响很 大，造成周围人们工作效率下降。 本文利用 ANSYS 有限元分析软件建立风机试验台的模型，利用软件的动力学分 析模块中的模态分析求解出系统的固有频率，通过改变模型的物理参数，控制模型的 固有频率，使其远离激振频率。利用谐响应分析找出离心风机的加速度响应与模型中 各个参数的关系。然后把模
3、态分析的结果导入 ANSYS 进行后续谐响应分析，找出模 型的频率响应曲线随着模型参数改变的变化机理，并提取出系统在激振频率下的 加速度响应。 本文的研究结果将为风机试验台模型的优化提供参考依据。 关键词：小型离心风机 强度校核 模态分析 谐响应分析 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the development of the industrialization in China, centrifugal fan is getting more and more widely used in all
4、 fields of national economy. The demand of production and sales of centrifugal fan is very big in the domestic market. The traditional algorithm of centrifugal fan impeller strength check is unable to find out the stress concentration of the impeller. We could only increase the safety coefficient to
5、 cut down accidents. It is a waste of resources by this means. With finite element analysis software can be easily solved this problem easily. Because of restrictions of the installation conditions, the impeller, which is designed by our research group, must change into aluminum impeller with the sa
6、me rotational speed, 2000 rpm, instead of the original steel one, thus the yielding limits is greatly reduced. The ANSYS software is exmployed in this paper to check the impeller strength for small centrifugal fan, and to investigate the maximum stress and the stress concentration place. Then, on th
7、e bases of simulation results the impeller design is optimized. Due to the unbalance value of impeller, the vibration during the operation of fan has a great iMPact on environment, which disturbs people to work with a declining efficiency. The fan test-bed model is established by ANSYS. The natural
8、frequency of the system is obtained from modal analysis of dynamics module, which belongs to the software. By means of adjusting model parameters, the natural frequency of module can stay away from the vibration frequency. Then, find out the change mechanism between the model parameters and frequenc
9、y response curve by transmitting the results of modal analysis to the harmonic response analysis. The harmonic response analysis is applied to find out the relationship between the acceleration response and parameters in the test-bed model. The acceleration response under the vibration frequency of
10、the system is proposed. The results of this paper can be a guideline for the characteristics optimization of the fan test-bed. Keywords：small centrifugal fan strength test modal analysis harmonic response analysis II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发
11、表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导
12、教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 课题研究的背景及意义 离心风机广泛应用于工业、农业等等各个领域，成为我国国民经济重要的机械设 备。自 2000 年以来，离心风机行业随着我国工业化进程而得到快速发展，据中国通 用机械协会风机分会统计，20002007 年行业销售总值年均增长率保持在 20%左右 1。 可见离心风机在国内市场的生产和销售量是非常巨大的，但是由于离心风机跟其 它机械设备存在很大的差异，多数零部件都是非标准件，使得风机行业生产以及检验 很难形成一个完善
13、的标准。 离心风机的叶轮是用来转换能量的决定部件，叶轮转换的能力基本决定了整个机 器的优劣。作为旋转机械，叶轮强度的保证是一切工作的前提，只有在这类零件的安 全性得到保障的前提下，才能去谈及设计、生产及相关应用，也只有在机器的安全可 靠性得到保障的条件下，才可以去比较其性能的优劣、研究提高效率的方法、寻找降 低其生产成本的途径。 为了保证离心风机的安全运行， 就必须对叶轮进行强度校核2。 本文的主要内容除了校核叶轮的强度外，另外一个重要的内容就是风机试验台振 动特性的分析。 轮船在航行过程中的振动，主要是由于船上各个机械设备在运行过程中各自的振 动叠加的结果，离心风机在工作过程中，由于其叶轮的
14、不平衡量引起的振动，在诸多 机械设备振动量中占了相当大的比重，这些振动严重影响了船上工作人员的工作环 境。因此对于风机振动控制的研究显得格外重要。 1.2 机械振动控制技术概况 振动科学曾经是物理学或力学的一个分支，这一科学以力学和数学为基础，以现 代测试技术、 计算机技术为手段， 并从系统论、 控制论及信息论等新兴学科吸取营养， 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 发展起来，它面向工程实际，以振动学科的理论、知识和方法来解决工程中日趋复杂 的各种动力学问题3。 振动控制分为主动控制和被动控制。主动控制指在控制过程中，根据检测的振
15、动 信号，经过实时计算，对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。主 动控制是一种以动治动的控制方式，它可对任意结构进行控制，具有极强的适应性和 调节性；可通过动态修改系统结构参数，实现高水平的振动控制。半主动控制是一种 振动系统的参数控制技术，其所需外部能源少，控制过程依赖于结构反应或外干扰力 信息，能够获得较好的控制效果4。 但是由于受到试验台安装尺寸的限制，本课题选用被动控制。机械振动被动控制 又名无源振动控制，主要依靠阻尼、缓冲、动力调谐等来实现减振5。从产业革命开 始到上个世纪初，机械振动的危害开始引起人们的重视，若干比较简单的措施和装置 诸如弹簧、 液压缸等被动减振方法开
16、始被研制和应用， 减振理论也得到初步的发展6； 自上个世纪的五十年代中期开始，由于航空、航天、电子和新材料等技术的兴起，带 动了机械、 建筑、 交通等各个行业的迅猛发展， 机电产品的功能集成化程度越来越高， 应用环境的严酷程度也愈来愈深，这些导致机械振动对机电产品性能的影响急剧上 升，尤其是军工领域对减振技术的迫切需求极大地促进了振动控制技术的发展7。这 时不但兴起了振动主动控技术，被动减振理论和技术也得到飞速发展，如粘弹性阻尼 减振、动力消振、冲击消振，振源被动隔离等减振技术都在这时期取得长足进步，与 之相对应的产品种类也层出不穷，例如无谐峰隔振器、空气弹簧隔振器、金属网阻尼 减振器、动力振减振器等等，人们把这些产品广泛应用于建筑、工程机械、汽车、 航空与航天等行业；到了二十世纪 90 年代，由于材料科学的突破，一些新的高分子 大
