羅茨風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型特性數(shù)值分析

羅茨風(fēng)機(jī)是一種量大面廣的通用機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于化工、電力、水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理等領(lǐng)域的各種氣體輸送，是一種重要的工業(yè)裝備。羅茨風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式多樣，振動(dòng)耦合嚴(yán)重，如果轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率和風(fēng)機(jī)箱體的頻率一致或相近， 則會(huì)引起箱體的共振，從而增大風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲，因此羅茨風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲已成為妨礙風(fēng)機(jī)提高工作效率、安全性和穩(wěn)定性的重要因素[1]。羅茨風(fēng)機(jī)在工作中主要承受轉(zhuǎn)子不平衡力、氣體脈動(dòng)力、氣體壓力、齒輪嚙合力、葉輪嚙合沖擊力等的作用， 使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞破壞，這對其他零件也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此比較準(zhǔn)確地得到應(yīng)力、應(yīng)變的大小以及羅茨風(fēng)機(jī)的固有頻率和振型對其設(shè)計(jì)有很大的作用，羅茨風(fēng)機(jī)的有限元模型在一定頻率范圍內(nèi)能較好地表征其物理模型的動(dòng)態(tài)特性。有限元法在振動(dòng)噪聲方面已經(jīng)有了一定的研究，譚青等[2]對離心式鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用集中參數(shù)法建模， 利用傳遞矩陣法編程求解轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)，并提出一種基于振型分析的最大值估算法。王加鋒等[3] 對旋葉式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子建立有限元模型，分析了前10?階的固有頻率和振型，分析結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)形式主要有平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和彎曲。李俊偉等[4]借助有限元分析軟件，對回轉(zhuǎn)平臺(tái)各離散典型位置進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出回轉(zhuǎn)平臺(tái)各典型位置狀態(tài)下的固有頻率和振型，計(jì)算結(jié)果顯示振動(dòng)程度最大處都在懸臂端。楊曉紅等[5]針對異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及端部風(fēng)扇進(jìn)行了建模和動(dòng)特性有限元分析計(jì)算，采用分塊蘭索斯法對轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇的前4 階固有頻率和振型進(jìn)行了求解，結(jié)果顯示風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3 階振型形變?yōu)閺澟ゑ詈闲巫儯? 階、4 階振型形變沿Y 軸方向，2 階振型形變沿X 軸方向。張瑞華[6]利用有限元法對鼓風(fēng)機(jī)框架式基礎(chǔ)建立模型，采用共振振幅法，計(jì)算出結(jié)構(gòu)固有頻率、振型以及振動(dòng)速度幅值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)整框架參數(shù)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到隔振減振的效果。錢網(wǎng)生等

[7]采用低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)
合的方法，來降低船用空調(diào)通風(fēng)機(jī)噪聲。鈕冬至 [8]利用ANSYS軟件對軸流通風(fēng)機(jī)葉輪振動(dòng)特性進(jìn) 行分析，建立了軸流通風(fēng)機(jī)葉輪的有限元模型， 計(jì)算出葉輪的固有頻率和振型。以上研究多是采用有限元方法對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，很少有針對風(fēng)機(jī)整體模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析的。對風(fēng)機(jī)殼體和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析， 不僅能夠確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)特性，還可以得到殼體和轉(zhuǎn)子表面的振動(dòng)速度以及關(guān)鍵位置處的頻率響應(yīng)曲線，從而為風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲特性的數(shù)值研究打下基礎(chǔ)。

采用Pro/E 和ANSYS workbench 有限元分析軟件，對羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維建模和有限元模態(tài)分析，獲得的主要結(jié)論如下：
1）用ANSYS Workbench 對羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算了羅茨風(fēng)機(jī)的前20 階固有頻率和
振型，并給出了具有代表性的非剛體模態(tài)前6 階非零模態(tài)的固有模態(tài)和振型圖；在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上揭示了羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)體的諧響應(yīng)特性，并給出了羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)出口、前油箱、齒輪箱等部位的幅頻響應(yīng)曲線。
2）通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和機(jī)體的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的第二階固有頻率和機(jī)體的第一、二階固有頻率非常接近，這極有可能引起耦合共振。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為兩轉(zhuǎn)子的同向及反向擺動(dòng)，長軸細(xì)端、齒輪段的擺動(dòng)；機(jī)體的振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為機(jī)體整體的上下、左右擺動(dòng)，主要變形位置在支撐腿處。機(jī)體諧響應(yīng)分析顯示機(jī)體在頻率為300~500Hz 時(shí)振動(dòng)比較劇烈， 在頻率為400Hz 時(shí)出口、前油箱、齒輪箱等部位均出現(xiàn)振幅最大值。
3）羅茨風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析是羅茨風(fēng)機(jī)性能
分析的重要方法，計(jì)算獲得的固有頻率和固有振型可以用來預(yù)測羅茨風(fēng)機(jī)各部件之間相互干涉的可能性，通過諧響應(yīng)分析給出的發(fā)生共振時(shí)機(jī)體部位振動(dòng)強(qiáng)度的大小，也為羅茨風(fēng)機(jī)的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

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