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葉輪前盤工藝

發(fā)布時間：2020-07-21

按前盤中性層母線發(fā)展長以及進、入口直徑假想壓型毛坯的主體錐。內(nèi)徑尺寸分別為前盤的進、入口直徑尺寸減去3mm主體錐中性層的母線中性層母線展開長。壓型毛坯則為沿主體錐母線方向各向兩端延長體。前盤成型進口高度以及入口外圓都有5m機加工余量。壓抑的同時模具對各截面圓進行了整型。把持模具將錐體毛坯各前盤型線對應位置. 模具闡發(fā) 錐體中性層母線與前盤中性層母線發(fā)展長相同。所以該件成型后,由于錐體毛坯的兩端直徑分別按直徑尺寸預留了必定撐展量。只是將錐體相應的截面圓壓制到前盤型線的對應位置上,是以在前盤各截面發(fā)生反彈,但在前盤高度方向上會產(chǎn)生一定的回彈量,因此模具型線R和錐面角度需留一定的回彈量。為了便于前盤壓型后的出模以及壓型過程中的受力均勻的。下模的前盤進口與毛坯小端之間假設段,上端直徑為毛還小端直徑,大端為前盤的進口加5mm高度加工余量直徑尺寸。為限制前盤壓制過程中力方向移動,是以在下模上按前盤入口尺寸處設計了止口臺階。為便于前盤壓型后順利出模,下模外沿缺口,用于前壓型后鍬出前盤建筑工藝使用CAD繪圖體系繪制上、下模圖紙及車加工用樣板。按圖鑄造上、下模毛坯(需加工處單邊留5mm立式車床加工上、下模(加工時先將進口和止口臺階加工至尺寸,按照葉輪前盤的具體尺寸和模具分析的工具。爾后按車加工楷模加工上、下模型線) 前盡毛坯制作按照其長度及前盤進、入口直徑假想壓型毛坯的主體錐。主體錐兩端中性層直徑分別為前盤的進 5mm主體錐中性層的母線長等于前盤型線中性層母線長。壓型毛坯為沿主體錐母線方向向兩端分別延伸5mm。首先將前型線中性層母線發(fā)展測量長度數(shù)控下料,將壓型毛坯發(fā)展放樣。卷制錐體,接口處開坡口焊接。焊縫履行超聲波探傷冷壓成型上模與壓力機上使命臺聯(lián)結(jié),將上/下模合模置于壓力機工作平臺上。下模用壓板固定在下工作臺上段均勻涂上一層潤滑脂,爾后將前盤毛坯套裝于下模,開動壓力機緩慢下壓,直至模具與工件完全貼合。探傷——焊鏠履行超聲波探傷。成型面履行詳情探傷組焊和校正重視保證前盤進口與后盤基準線的同軸度。將壓制好的前盤組焊于葉輪。車削加工

離心通風機剛度計算方法

信息來源：發(fā)布時間：2020-07-21閱讀：482

1 概述

離心通風機葉輪由于剛度差而導致失效的現(xiàn)象時有發(fā)生。其機理為葉片受離心力作用而彎曲變形，且各葉片彎曲變形的程度又不可能完全相同，因而使平衡遭到破壞，以致于最后失效。尤其是寬徑比比較大的風機，如4－73、4－60、6－40等，在高圓周速度條件下，這個問題就更為突出。此外，在實際工作中，還會經(jīng)常遇到為解決耐磨問題而將4－73的機翼型葉片改為板式葉片的情況，顯然，其剛度會明顯下降。為此，通常采用增加副前盤的結(jié)構(gòu)方案進行解決，如圖1所示；但在何種條件下加副前盤以及設計成何種形式的副前盤，則依靠設計者的經(jīng)驗。然而，是否成功則需要在試驗臺或工業(yè)現(xiàn)場進行考核。

因此，在設計階段對離心通風機葉輪的剛度進行計算是很有必要的，也是必須得完成的一個項目。但目前筆者能查閱到的只是在文獻[1]中提到的剛度校核公式，而實際應用時，卻發(fā)現(xiàn)還有一些問題無法解決：一是該公式?jīng)]有推導過程。因而，對其建模過程不了解；二是具體變形量無具體數(shù)值。因而，對不同的風機或不同的使用場合，如何提出變形控制指標就無從下手；三是按此公式計算剛度，如果結(jié)果達不到要求，設計成何種形式的副前盤也無法判斷，因為不知道葉片上何處剛性薄弱。

因此，確定適用的離心通風機剛度的工程計算方法，對風機的設計、工藝和生產(chǎn)有重要作用。

2 計算模型的建立

離心通風機葉輪由前盤、葉片、后盤或中盤，焊接或鉚接而成。多數(shù)葉輪的前盤均有鍛件或鉚焊件進口圈，而且部分葉輪的前盤在靠近外緣部位還焊接有多種形式的調(diào)頻環(huán)以加強其剛性；而后盤或中盤一般厚度較大（不少葉輪后盤或中盤還有鍛件輻板或焊接輻板），用螺栓與鑄件輪轂或主軸聯(lián)接。因此，就風機葉輪結(jié)構(gòu)和工作特點而言，前盤和后盤或中盤的剛性較強，而葉片的剛性相對較弱，葉輪剛性問題也就表現(xiàn)為葉片的剛性問題。所以，在設計和生產(chǎn)中，保證了葉片的剛度也就保證了整個離心葉輪的剛度。

對葉片的受力情況進行初步分析：與葉片自身離心力相比，其受到的氣動力的數(shù)量級太小，在計算剛度時可忽略不計。因此，應主要考慮葉片離心力的影響。沿著葉片型線從進口到出口邊，由于半徑和方向的變化，其離心力的大小和方向也在變化，不可否認，其變形量的大小也會隨著半徑的不同而變化，即其變形不是均勻的；但沿著葉輪軸向方向，可以認為其沿葉片寬度方向受均布載荷。也就是說，可以把葉片看成沿葉片寬度方向受均布載荷的固定梁（如焊接葉輪）或簡支梁（如鉚接葉輪），這是建立數(shù)學模型的基礎。

3 計算公式的推導

3.1 鋼制板式后彎葉片焊接葉輪

為了分析不同半徑處葉片的變形量，如圖2所示，可取任意一個葉片，假設在半徑R處取一微元b ，其厚度為δ，其長度（即葉片寬度）為L，則該微元在旋轉(zhuǎn)角速度ω(1/rad)或轉(zhuǎn)速n下產(chǎn)生離心力P, 該P值又可分解成P₁和P₂。沿P₂方向葉片抗彎模量極大，可以忽略P₂產(chǎn)生的變形。因此，計算和控制P₁產(chǎn)生的變形則是主要矛盾。作為均布載荷，若P₁=q L，則該微元就可簡化成如圖3所示的受均布載荷的固定梁模型。

在材質(zhì)具有連續(xù)性、均勻性、各向同性和變形控制在彈性變形范圍內(nèi)的假設下，上述計算模型就把葉輪的剛度問題轉(zhuǎn)化成求解該微元的最大變形并控制該變形量的問題。

設材質(zhì)的彈性模量為E，微元的慣性矩為I。分析圖3，顯然，M_A=M_B，R_A=R_B=0.5qL，其最大變形發(fā)生在0.5L處；并且邊界約束條件為在x=0或x=L時，f=0。由于其為靜不定結(jié)構(gòu)，需要另外尋求變形協(xié)調(diào)方程。應用線性疊加原理，則圖3的模型可以分解成圖4、圖5和圖6三個模型，也就是前者是后三者的線形疊加，于是：

f = f₁ + f₂ + f₃ (1 )

(f )_B = (f₁) _B + (f₂)_B + (f₃) _B (1a )

f_max = (f₁)_0.5_L + (f₂)_0.5_L + (f₃) _0.5_L (1b )

受均布載荷q的懸臂梁（見圖4）

其變形曲線方程為

f₁ = q x² * ( x² － 4 L x + 6 L² ）/ （ 24 E I ）（2 )

在B點，其變形量為

（f₁）_B = q L⁴ / （8 E I ） (2a )

在0.5L點，其變形量為

（f₁）_0.5_L = 17q L⁴ / （384 E I ） (2b )

(2) 受集中載荷R_B的懸臂梁（見圖5）

其變形曲線方程為

f₂ = － q x² ( 3L － x ) L / （12 E I ） (3 )

在B點，其變形量為

（f₁）_B = -q L⁴ / （ 6 E I ） (3a )

在0.5L點，其變形量為

（f₂）_0.5_L = －5 q L⁴ / （ 96 E I ） (3b)

(3) 受彎矩M_B的懸臂梁（見圖6）

其變形曲線方程為

f₃ = M_Bx²/ （2 E I ） (4 )

在B點，其變形量為

（f₃）_B =M_BL²/ 2 E I (4a )

在0.5L點，其變形量為

（f₃）_0.5_L = M_BL² / （ 8 E I） (4b )

根據(jù)式（1a）和已知邊界條件x=L, (f )_B=0，可以求出M_B，則

M_A= M_B = q L²/12 (5 )

又根據(jù)式（1b）求出在x=0.5L時，圖3中的最大變形量為

f_max= q L⁴/ 384EI (6 )

將分布載荷q = P₁/ L =（P sinφ）/ L = （ω² RρbδL sinφ）/ L = ω² Rρbδsinφ和微元的慣性矩I = δ³ b / 12 ,以及彈性模量E = 2.06×10¹¹(Pa)和鋼的密度ρ = 7.85×10³(kg/m³), ω= 2πn / 60 (1/rad)代入式（6），則得出在葉片上任意半徑R處的最大變形量為

f_max= k R n²L⁴ sinφ / δ² (7 )

式中，常數(shù)k = 1.3059×10^-11

葉輪剛度的校核

顯然，式（7）可以計算葉片上任意半徑R處的最大變形量，從而為變形量的控制提供了依據(jù)。筆者認為，只要把葉輪葉片變形量控制在允許值范圍內(nèi)，就可以保證剛性安全，即

k R n² L⁴ sinφ / δ² ≤ f [ L ] /L (8)

其還可以化成下式

k R n² L⁴ sinφ / δ² ≤ f /L (9)

相比之下，式（9）在使用時比式（8）更方便一些。

在具體計算中，原則上只需校核葉片進、出口和中部3個半徑處的剛度，就可以了解和掌握整個葉輪的剛度情況，因而副前盤的形式也由此確定。

3.2 鋼制機翼型葉片的焊接式葉輪

式（6）也適用于鋼制機翼型葉片的焊接式葉輪。

設葉片質(zhì)量為m, 重心所在半徑為R_c，對應的葉片寬度為L，葉片離心力為P，且P又可分解成沿葉片的法向力P₁和切向力P₂，而P與P₂夾角為φ；又將機翼型葉片截面簡化為橢圓（忽略葉片加強筋板對剛性的有利因素），其中：外橢圓短半徑a₁，內(nèi)橢圓短半徑a₂，外橢圓長半徑b₁，內(nèi)橢圓長半徑b₂。于是，橢圓截面的慣性矩I = (a₁³b₁－ a₂³b₂)π/4。

將分布載荷q = P₁/ L = （P sinφ）/ L = （ω²R_c m sinφ）/ L和其慣性矩I ,以及彈性模量E = 2.06×10¹¹(N/m²)和ω= 2πn / 60 (1/rad)代入式（6），則得出在葉片重心半徑Rc處的最大變形量為

f_max= k m R_c n² L³sinφ/ （a₁³b₁－ a₂³b₂ ） (10) 則其葉輪剛度的校核公式為

k m R_cn² L²sinφ /（a₁³b₁－ a₂³b₂ ） ≤ [ f/ L ] (11)

式（10）和式（11）中，k =1.7651×10^-16

3.3 鋼制鉚接式板式葉片葉輪

其模型簡化為受均布載荷的簡支梁，則邊界約束條件與上述不同；同時，在控制變形量方面應同時控制最大變形量和兩端的轉(zhuǎn)角。但通過具體推導（此處略），葉輪變形和轉(zhuǎn)角的計算公式相當，則可合并成與式（9）相同的形式，但是k = 6.5295×10^-11

4 葉片變形量容許值

原則上講，要控制旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片使其不變形是根本做不到的，關(guān)鍵是如何確定一個既安全又經(jīng)濟的指標。對于一個旋轉(zhuǎn)主軸，一般變形量指標控制在[f/L]=1/5000～1/10000；對于離心通風機超速試驗后的塑形變形控制在[f/L]=1/1000；而對于離心通風機在運行中的變形量指標，至今尚未看到有關(guān)權(quán)威報道。為此，只有根據(jù)經(jīng)驗法進行類比。從多年生產(chǎn)風機及對國外進口風機國產(chǎn)化改造的經(jīng)驗來看，一般選取[f/L]=1/100就可以滿足安全要求；如果超過該值，就要采取相應的增強剛度的措施，如根據(jù)葉片剛性的薄弱環(huán)節(jié)，增加不同形式的副前盤。當然，也不排除今后通過大量的工業(yè)實踐，針對不同風機或不同使用場合繼續(xù)放寬該指標的可能。

5 結(jié)論

根據(jù)對葉輪葉片剛度計算的詳細建模過程，提出了剛度計算和校核的方法，并借助于大量的工程應用經(jīng)驗，解決了離心通風機設計和生產(chǎn)中的實際技術(shù)問題，實踐證明這是一種十分實用的工程計算方法。