叶片可调式对旋风机叶轮模态及振动分析

作者:吴娟;杨冰冰; 刊名:煤矿安全 上传者:刘东风

【摘要】为了满足不同掘进距离的不同通风需求,设计了叶片角度可调的风机叶轮结构。该叶轮结构紧凑、制造成本低、能够实现变工况同步调节,在满足不同工况所需风量和风压的前提下,实现风机更节能、高效的运行。用LMS模态测试软件对叶轮整体结构进行了模态分析,通过试验得到了叶轮的模态参数,为避免叶轮共振提供了依据。同时,对风机不同工况,不同位置的振动信号进行了测试,通过分析采集到的振动信号得到了不同位置振动的主要原因,为风机结构的优化提供了参考。

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对旋式轴流风机担负着向井下输送充足新鲜空气,排出有害气体,带走煤尘,改善井下工作环境,保障作业人员生命安全等重要任务,在煤矿安全开采中发挥着不可替代的作用[1]。在掘进巷道的过程中,风机输出的风压和流量是随着掘进距离而变化的,而效率也会随之变化,风机长期处在不符合额定工况的条件下运行,效率低,还可能造成瓦斯排出不畅,影响安全生产。通过调节风机叶片的安装角度可以使风机适应不同工况风量风压的需求,国外对动叶可调对旋轴流风机的研究起步较早。早在20世纪中期,丹麦就研制出了叶片角度可调的轴流风机。经过几十年的发展形成了主要以液压为驱动的叶片调节机构,在煤矿主要通风机、电厂的各种风机等方面应用比较广泛。而局部通风机多用于巷道掘进,受制于空间的限制,风机的尺寸一般较为紧凑,风筒内部空间狭小,不利于液压驱动的动叶调节装置布置[2-6]。因此,研究矿用轴流对旋风机叶片安装角度可以随着工况变化进行调节的叶轮机构,对风机的安全高效运行具有重要意义。1叶片可调式风机叶轮在掘进长距离巷道的过程中,风量要求会随着巷道深度发生变化。在掘进的初期,通风阻力较小,巷道短,有害气体的涌出少,所需的风量也较小。而在巷道掘进的后期,风筒长度达到2 000 m以上,有图1传感器及敲击点位置害气体的涌出也因为巷道长度的增加而增加,风机的风量随着压力的升高而降低,风机需要保证一定的风量来满足安全需求。叶片可调式叶轮机构可以根据工况的不同合理调节叶片安装角度,在满足风量风压需求的前提下,实现风机的节能高效运行,避免电机过载。叶片可调叶轮机构主要由叶片、轮毂、叶片可调模块组成。采用机械传动,通过手动或电动调节控制杆,带动外层主动锥齿轮旋转并与外层被动锥齿轮啮合,外轴向筒与外层被动锥齿轮之间的螺纹将转动转换为平动,以此使与外轴向筒连接的平移盘产生轴向位移。风叶转臂的末端位于平移盘的槽内,叶轮上的风叶限制在轮毂上,仅能绕其中心旋转。这样,在平移盘发生移动时,叶片随之旋转,安装角即发生改变,从而改变了风量和风压,解决了现有液压驱动方式的制造维护成本高的问题,同时也解决了采用机械调节机构调节风机双级叶片角时的结构复杂,同步性差的问题[7-9]。2叶轮模态试验本次模态测试试验中用到的试验设备主要有力锤、SCADAS多功能数据采集系统和三向加速度传感器。多功能数据采集系统是由LMS公司生产,能够采集转速、加速度、力、位移、声音、扭矩等多种信号。同时将采集到的信号输入到LMS Test Lab中进行后处理与分析,操作简单快捷,能够大大缩短试验周期。对叶轮进行自由模态试验时,由于叶轮不需很大的激励即可产生振动,因而采用锤击法对其自由状态下模态参数进行测试,即通过力锤敲击叶轮以施加瞬时激励,使叶轮产生振动。由于叶轮轮毂轴心处振幅很小,因此在轮毂轴心处用软绳将叶轮竖直悬挂进行锤击模态试验,避免外界环境变化对试验产生影响。采用固定力锤敲击点,移动传感器测量的方法,以获得FRF矩阵中完整的一列[10-11]。在LMS中对2级叶轮分别进行建模,建模时简化了叶轮模型,将叶片简化为平面结构,通过建立多个测点尽量反映叶轮形状,在1级叶轮上设置了56个测点,2级叶轮上设置了40个测点,分别均布在叶片及轮毂上,传感器可以完整采集到叶轮各个方向的振动信号。考虑到在试验过程中经常会出现由于只有1个敲击点而仅能确定某几阶模态,并不能完全确定所需要的全部模态,本试验在2级叶轮分别选取了3个力锤敲击点,将这几个参考点所得到的模态结果进行组合将有效保证模态测试结果准确性,避免丢阶。传感器及敲击点位置如图1。进行试验之前先对数据采集系统进行通

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