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    摘要:介紹了新模型系列風機的快速優(yōu)化設(shè)計計算方法,為簡化設(shè)計計算及方便實踐應(yīng)用,采用了電子表格進行風機機號、性能參數(shù)流量壓力的取值即最高轉(zhuǎn)速確定匹配關(guān)系:與風機轉(zhuǎn)子組主軸強度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命的匹配關(guān)系;與風機葉輪軸盤尺寸的匹配關(guān)系:與電機功率安全系數(shù)、電機極數(shù)匹配關(guān)系的應(yīng)用計算。并以CF51新模型系列風機采用電子表格設(shè)計計算方法為例,進行詳細說明。

   隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,以及國家對環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的要求,近年來風機行業(yè)協(xié)會、各大院校研究所、風機專業(yè)制造廠家都在積極研發(fā)新型節(jié)能高效低噪環(huán)保的風機氣動模型,并取得了相當?shù)某煽?。但也存在著重理論氣動模型研發(fā)、對與工廠制造銜接的系列優(yōu)化規(guī)劃與部件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計重視不夠,使研發(fā)的新模型風機特別是在工業(yè)領(lǐng)域風機,無論在研發(fā)進度、研發(fā)質(zhì)量、使用可靠性上都未真正體現(xiàn)新模型風機氣動性能研發(fā)價值。筆者在風機行業(yè)從業(yè)多年,已有多個新模型系列風機產(chǎn)品成功研發(fā)成為公司主導(dǎo)產(chǎn)品。現(xiàn)對新模型系列風機用電子表格計算( Excel)的快速優(yōu)化設(shè)計方法予以闡述設(shè)計思路

無論是引進消化、校企合作還是自主開發(fā),當新模型風機氣動性能樣機經(jīng)實測達到設(shè)計要求,就需轉(zhuǎn)入系列優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計與部件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計等具體開發(fā)內(nèi)容上來。系列規(guī)劃設(shè)計中涉及風機機號、性能參數(shù)流量壓力的取值即最高轉(zhuǎn)速確定匹配關(guān)系:與風機轉(zhuǎn)子組主軸強度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命的匹配關(guān)系;與風機葉輪軸盤尺寸的匹配關(guān)系;與電機功率安全系數(shù)、電機極數(shù)匹配關(guān)系等。上述系列規(guī)劃設(shè)計完成以后,就可轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)工作圖設(shè)計。筆者以CF51新模型風機系列規(guī)劃用電子表格計算為例,進行詳細說明。
風機機號、性能流量壓力的分布取值范圍
CF51風機葉輪采用強后向多圓弧板式葉片,葉輪直徑800m時的樣機最高效率79.5%、全壓系數(shù)為0.512、比轉(zhuǎn)速為27.4。
CF51風機機號葉輪直徑尺寸按GB/T17774《工業(yè)通風機尺寸》標準,取為315、355、400、450、500、560、710、800、900、1000、120、1250、1400、1600、1800、2000等共十六個機號。
CF51性能參數(shù)流量壓力的取值須經(jīng)前期市場調(diào)研,滿足彌補本公司選型的空白點,及對本公司歷史產(chǎn)生的較多非標定制進行統(tǒng)計,初步的確定性能參數(shù)流量壓力的取值。對中小型工業(yè)風機而言,在全壓系數(shù)、比轉(zhuǎn)速、風機機號確定的情況下,確定性能參數(shù)一般即指最高轉(zhuǎn)速確定后的
最高壓力取值CF51機號500風機初定設(shè)計最高轉(zhuǎn)速為4200r/min,最高全壓為8125Pa,見表1;

表1~表2中用電子表格計算方式,原始參數(shù)為CF51樣機測試值,改變設(shè)計參數(shù)值中的機號/葉輪直徑D1、風機轉(zhuǎn)速n1、進氣介質(zhì)密度p1即可進行風機性能的變換計算。
3風機轉(zhuǎn)子組主軸強度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命
當初步的性能參數(shù)流量壓力的取值、最高轉(zhuǎn)速確定以后,需進行轉(zhuǎn)子組主軸強度、臨界轉(zhuǎn)速軸承壽命等的計算。CF1風機均按C式三角帶傳動進行配置計算,對其中CF51機號500、800250、2000風機的轉(zhuǎn)子組主軸強度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命初定設(shè)計配置計算見圖1、表5風機轉(zhuǎn)子組主軸強度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命電子表格計算方式見表六,以CF51機號800風機為例。CF51機號800風機初定設(shè)計最高轉(zhuǎn)速為2900r/min,計算結(jié)果為主軸強度:RB處最大復(fù)合應(yīng)力o<[o-1]w主軸(一般碳素鋼)許用彎曲應(yīng)力,20.38MPa40~65MPa,主軸強度滿足安全要求。
主軸臨界轉(zhuǎn)速:主軸計算臨界轉(zhuǎn)速nc=5745r/min,800風機初定設(shè)計最高轉(zhuǎn)速n=2900r/min,計算的安全系數(shù)nc/n=5745/2900=1.98,nc〉1.3n主軸臨界轉(zhuǎn)速滿足安全要求。以nc>1.3n為安全系數(shù)反算,主軸最大可運行轉(zhuǎn)速n4419r/min，軸承壽命:CF51機號800風機最高全壓為0447Pa,必須考慮軸向力Fa對軸承壽命的影響,
以RA或RB取較大受力支點計算(非相同型號軸承需都算一下),計算的軸承壽命為107160h≈12.23年,滿足壽命要求注意序號8帶輪直徑D尺寸2對主軸RA或RB的受力及軸承壽命影響,需反復(fù)核算。
在軸承壽命計算時,必須計入離心通風機的軸向推力回。單吸入風機在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的軸向推力對軸承壽命影響,如采用深溝球軸承計算壽命通不過時,可采用球面滾子、角接觸球等不同類型軸承反復(fù)核算,達到100以上理論壽命為妥,采用不同類型軸承時,需注意軸承極限轉(zhuǎn)速對風機最高允許運行轉(zhuǎn)速的限制。

表6的電子表格計算方式,可通過改變設(shè)計原始參數(shù)值中序號112風機葉輪重量、風機轉(zhuǎn)速、軸承箱主軸、功率、帶輪直徑等設(shè)計參數(shù)值,即可進行風機轉(zhuǎn)子組的變換計算。

4與風機葉輪軸盤尺寸的匹配關(guān)系
CF51風機比轉(zhuǎn)速為27.4,屬中低比轉(zhuǎn)速風機,葉輪葉片出口寬度較窄。一般工廠內(nèi)部都有規(guī)格化的軸盤尺寸系列。按以上方法初定好轉(zhuǎn)子組規(guī)格,其主軸直徑、軸承型號、對應(yīng)軸盤外徑及軸盤內(nèi)孔基本確定。為防止葉輪軸鹽搭子對葉片進口流道堵塞,需進行葉輪輪蓋進口與軸盤搭子的截面積之比校核,見表7。

表7中的A值,文獻[6-7]給出了設(shè)計理論參數(shù),考慮滿足系列規(guī)劃設(shè)計及軸盤“三化”要求,筆者認為輪蓋/葉片進口圓環(huán)面積比A、葉輪內(nèi)軸盤搭子高度hl/葉輪葉片出口寬度b2比B,滿足或接近模型樣機系數(shù)值,且盡量保證軸盤搭子與進氣氣流流通面為弧形圓滑過渡,是可以滿足相似設(shè)計條件的。

5與電機功率安全系數(shù)、極數(shù)匹配關(guān)系
表8中的允許最大軸功率值,與表一~表四中用電子表格計算,改變設(shè)計參數(shù)值中的機號/葉輪直徑D、風機轉(zhuǎn)速n1l、進氣介質(zhì)密度p1得出的NI內(nèi)功率相匹配校核,在保證電機安全系數(shù)的情況下,得到最大的性能參數(shù)流量壓力值,并最終確定電機規(guī)格。

6結(jié)論
我公司近些年在新模型風機氣動性能研發(fā)、樣機測試完成以后,通過在系列優(yōu)化規(guī)劃與部件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計等具體開發(fā)內(nèi)容上產(chǎn)生的問題,不斷總結(jié),逐步摸索出采用電子表格計算的方法,掌握了一套快速準確完成系列優(yōu)化規(guī)劃轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)工作圖設(shè)計的實用方法。該方法對離心風機、軸流風機、空調(diào)風機、工業(yè)風機、單進風風機、雙進風風機均適用。并建議為滿足系列化、標準化、通用化的“三化”要求,建議有實力的風機廠在新模型風機研發(fā)前期準備時,應(yīng)考慮對轉(zhuǎn)子組傳動箱、軸盤等工廠內(nèi)部基礎(chǔ)標準件進行整理完善,來滿足與研發(fā)風機全系列機號的合理匹配,為轉(zhuǎn)入結(jié)構(gòu)工作圖設(shè)計帶來方便。
本文的CF51新模型風機系列優(yōu)化規(guī)劃的快速設(shè)計,所有的表格內(nèi)容數(shù)據(jù)均為計算最終稿,實際需運用電子表格進行風機轉(zhuǎn)速、風機轉(zhuǎn)子組主軸強度、臨界轉(zhuǎn)速、軸承壽命、葉輪軸盤尺寸、電機功率匹配等參數(shù)的聯(lián)動變換計算,并熟悉掌握其變化規(guī)律,提高計算準確度與工作效率。采用上述CF51新模型風機系列優(yōu)化規(guī)劃的快速設(shè)計方法,同樣也適用于結(jié)構(gòu)工作圖設(shè)計,將另文贅述風機行業(yè)的《高效節(jié)能離心通風機系列化基本模型研發(fā)》,根據(jù)計劃進度要求完成系列樣機標定后,向行業(yè)推廣。屆時可參考本文所述的系列優(yōu)化規(guī)劃的快速設(shè)計方法,實踐證明因其簡單、實用、有效,相信一定會達到事半功倍的效果。