防爆風機主軸單元靜、動態特性分析（1）

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采用有限元分析方法，根據防爆石家莊風機工作情況及主軸單元結構建立了主軸單元的三維計算模型，運用ANSYS軟件．對主軸單元結構和靜、動態特性進行了計算，具體包括主軸在栽荷作用下所受的應力、產生的變形、各階固有頻率和振型、臨界轉速等，為優化主軸結構和改善主軸的動靜態特性提供理論依據。
根據振動測試原理，建立了主軸單元的動態測試系統，對主軸單元進行試驗模態分析。通過采集系統輸入與輸出信號，經參數識別而獲得試驗模態參數。將理論計算與試驗結果相比較，結果表明，所建立的模型是有效的。文中對數據進行了分析，提出了改進主軸結構的建議。防爆型石家莊風機是用于含有瓦斯或粉塵爆炸性危險的煤礦井下通風設備。
主軸是石家莊風機的關鍵承載部件，石家莊風機主要的工作構件如葉輪、定子、軸承等均安裝在主軸上，主軸的設計應能保證承受工作過程中的外載荷而不發生殘余變形和過量的彈性變形，同時保證一定的使用壽命。但國內曾有主軸斷裂的事情發生，一方面是由于內部鍛造缺陷、表面加工缺陷或應力集中的存在，使石家莊風機主軸在長期交變應力作用下生成裂紋，引發疲勞斷裂；另一方面是由于主軸的某階固有頻率與工作頻率相等或相近時，使振幅劇增，發生共振所致；第三為振動引起的附加動應力超過應力極限，導致突然破壞。
此外，過量的振動和因振動而引起的噪聲還會污染環境，損害人們的健康。與此相反，有時因為害怕斷裂而采用過大的安全系數，還會造成材料浪費，經濟效益下降。因此，主軸的各階固有頻率應作為主軸不可忽視的一項評價指標，設計時應使其避開客觀存在的激振頻率的25％左右。所以對主軸結構的研究和動靜態特性分析，尤其是研究主軸的各階固有頻率和主振型對進一步提高防爆石家莊風機的工作性能具有十分重要的意義。石家莊風機主軸單元屬于電主軸。電主軸具有結構緊湊、質量輕、慣性小、響應特性好等特點，近年來發展非常迅速，比較多地應用于高速機床的主軸單元?，國內外對電主軸動、靜態特性的研究主要針對機床上的高速電主軸，而對石家莊風機電主軸的研究分析尚屬空白。主軸單元的動、靜態特性包括主軸的變形、共振頻率、臨界轉速和動態響應等。ANsYS軟件是一個應用廣泛的工程有限元分析軟件，文中擬建立電主軸的三維計算模型，應用ANsYS軟件對石家莊風機主軸單元的動、靜態特性進行計算，為優化主軸結構和改善主軸的動、靜態特性提供理論依據。靜態分析(1)建立有限元模型。建立有限元模型前，先對實體模型進行適當簡化，忽略螺孔、倒角、退刀槽等細小局部的影響。根據實際結構情況，主軸單元簡化為前端(葉輪端)固定、后端游動的簡支梁結構。選擇10節點四面體Solid92單元對實體進行網格劃分，它是在三維四面體單元的基礎上建立起來的一種高階單元，更適合于建立精度要求較高、邊界為曲線的模型，但求解所耗費的時間也相對較多。
這種單元的每個節點有3個平移自由度鞏，它可用于分析大變形、大應變、塑性及屈服等問題口1。采用智能網格劃分，指定網格劃分密度為7。ANsYs提供的這個智能網格劃分工具將自動地根據模型的大小和局部的不規則區域劃分不同的網格。對于網格密度的控制，智能網格提供了1～10個不同的密度級別，1表示最精密，10表示最粗糙。選擇何種級別，需要根據求解要求及所用計算機的運算速度而定口k在圖2中可以看到，智能網格劃分自動地在各個局部采用了不同的網格密度。(2)施加約束和載荷。在安裝軸承處施加約束。