羅茨風機動態(tài)特性數(shù)值分析

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風機、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅(qū)羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。

羅茨風機是一種量大面廣的通用機械，被廣泛應用于化工、電力、水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理等領域的各種氣體輸送，是一種重要的工業(yè)裝備。羅茨風機結(jié)構復雜，形式多樣，振動耦合嚴重，如果轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率和風機箱體的頻率一致或相近，則會引起箱體的共振，從而增大風機振動噪聲，因此羅茨風機的振動、噪聲已成為妨礙風機提高工作效率、安全性和穩(wěn)定性的重要因素^[1] 。羅茨風機在工作中主要承受轉(zhuǎn)子不平衡力、氣體脈動力、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)生嚴重的疲勞破壞，這對其他零件也會產(chǎn)生很大的影響。因此比較準確地得到應力、應變的大小以及羅茨風機的固有頻率和振型對其設計有很大的作用，羅茨風機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態(tài)特性。有限元法在振動噪聲方面已經(jīng)有了一定的研究，譚青等^[2]對離心式鼓風機轉(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，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)的振動形式主要有平動、轉(zhuǎn)動和彎曲。李俊偉等^[4]借助有限元分析軟件，對回轉(zhuǎn)平臺各離散典型位置進行模態(tài)分析，計算出回轉(zhuǎn)平臺各典型位置狀態(tài)下的固有頻率和振型，計算結(jié)果顯示振動程度最大處都在懸臂端。楊曉紅等^[5]針對異步風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子及端部風扇進行了建模和動特性有限元分析計算，采用分塊蘭索斯法對轉(zhuǎn)子和風扇的前4階固有頻率和振型進行了求解，結(jié)果顯示風力發(fā)電機轉(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機框架式基礎建立模型，采用共振振幅法，計算出結(jié)構固有頻率、振型以及振動速度幅值，并根據(jù)計算結(jié)果，調(diào)整框架參數(shù)設計，從而達到隔振減振的效果。錢網(wǎng)生等^[7]采用低噪聲結(jié)構設計和振動模態(tài)試驗技術相結(jié)合的方法，來降低船用空調(diào)通風機噪聲。鈕冬至^[8]利用ANSYS軟件對軸流通風機葉輪振動特性進行分析，建立了軸流通風機葉輪的有限元模型，計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機轉(zhuǎn)子的振動特性進行數(shù)值計算，很少有針對風機整體模型進行諧響應分析的。對風機殼體和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行諧響應分析，不僅能夠確定風機運行狀態(tài)下的振動特性，還可以得到殼體和轉(zhuǎn)子表面的振動速度以及關鍵位置處的頻率響應曲線，從而為風機振動噪聲特性的數(shù)值研究打下基礎。

羅茨風機部件主要包括：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、機體、軸承座、前油箱、齒輪箱等。其中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要尺寸有：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)總長605mm，葉輪最大寬度59.86mm，葉峰到葉輪中心的距離87.5mm，葉輪總長350mm，葉輪軸最大直徑55mm，軸為階梯狀結(jié)構；齒輪法向模數(shù)2.5mm，齒數(shù)48，壓力角20°，分度圓直徑120mm，齒寬45mm。羅茨風機機體和葉輪材料為HT200，齒輪材料為20GrMnTi，轉(zhuǎn)子軸材料為45號鋼。

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