一种基于风机系统的动力学分析方法与流程

本发明涉及风机振动技术领域，特别涉及一种基于风机系统的动力学分析方法。

背景技术：

风机是一种被广泛运用于工业生产当中的通用机械，其在国民经济各领域中都发挥着极其重要的作用。风机是一种十分典型的旋转机械，是钢铁企业的关键设备之一。烧结主抽风机是烧结厂的核心设备之一，承担着为烧结机通风的重要任务，被称为是烧结厂的“肺脏”，其运转是否正常将直接关系到炼铁厂的安全生产与效益的好坏。振动是烧结主抽风机故障的主要表现形式之一。转子系统不平衡是引起风机振动的主要激振源之一。同时，由于风机基础设计不合理、基础松动失稳等因素也会加剧风机的振动情况。风机基础及其隔振系统的设计是否合理、运行是否正常对于降低风机振动起着至关重要的作用。

如何降低风机在工作状态下的振动与噪声，保护操作者的身心健康以及延长设备的使用寿命，同时确保风机能够长时间的在正常工况下连续运转，就成为一个必须解决的现实问题。因此，在风机设备的设计与制造之初就对其机械结构进行动态优化；在厂房建造与设备安装之时就对风机整体进行动力学分析，可优化基础结构参数，以满足风机低噪声、低振动的要求以及结构的静、动力学特性，这使得对风机整体进行动力学分析具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种基于风机系统的动力学分析方法，通过对风机系统进行动力学研究，可实现在风机系统设计与安装之初，就能预估风机系统的振动特性，为改善风机系统的动力学性能提供了依据。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于风机系统的动力学分析方法，包括如下步骤：

步骤一、运用solidworks软件建立风机系统的三维模型；

步骤二、把三维模型导入到ansys软件中，并对相应的模型进行模态分析，得到风机系统的固有频率和模态振型；

步骤三、对风机系统模型进行谐响应分析，得到多个测点的幅频曲线图，并对所得到的多个测点的幅频曲线图进行分析与研究。

进一步地，所述的风机系统包括：风机、轴承、联轴器、电机、基础和弹簧阻尼隔振器。

进一步地，所述的步骤二具体包括：

步骤201、首先，把在solidworks软件中建立的风机系统的三维模型保存为.parasolid格式并导入ansys软件；

步骤202、在ansys分析中统一采用国际单位制，基础台板采用solid95单元，弹簧隔振器采用combination14单元，风机叶轮采用solid45单元，风机转轴采用solid95单元；

步骤203、对风机系统模型进行自由网格划分，在风机基础的四角布置多个钢弹簧隔振器，为了增加支撑刚度提高稳定性，在基础的中部布置多个不含阻尼器的支撑弹簧装置；

步骤204、对风机系统进行模态分析，得出风机系统的固有频率和模态振型。

进一步地，所述的步骤三具体包括：

步骤301、对风机系统模型进行谐响应分析，得到风机系统在不同频率下的响应值和此响应值对应于频率的关系曲线；从这些关系曲线上找到峰值响应，进一步找出峰值频率对应的应力情况；

步骤302、通过对上述响应值、关系曲线和曲线极值的分析研究后，对风机系统的持续动力学特性进行预估，并进一步验证原设计是否能够成功地避免疲劳、共振等有害现象；

步骤303、在风机的左右两个轴承座以及电机的左右两个轴承座上各布置多个测点；

步骤304、在风机系统模态分析的基础上进行风机系统的谐响应分析，在进行模态分析时没有施加外载荷，只计算出固有频率、模态振型的结果；对风机系统进行谐响应分析需要根据实际的情况施加上不平衡力，计算出在不同频率的不平衡力作用下风机系统的振动情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过对风机系统进行动力学研究，可实现在风机系统设计与安装之初，就能预估风机系统的振动特性，为改善风机系统的动力学性能提供了依据。

2、相对于对风机、基础或者其它执行机构的进行单独模态分析来说，对风机系统进行模态分析则拥有前者无法比拟的优越性。只要风机系统的模型建立的足够合理就能更加真实的反应风机系统的振动特性，更加准确地计算出风机系统的固有频率和模态振型，为风机的日常运行与维护提供了更加可信的依据与技术支持。

附图说明

图1为风机系统结构简图；

图2为风机系统的三维模型；

图3为无隔振弹簧和有隔振弹簧时风机系统的固有频率；其中：图3-1为无隔振弹簧；图3-2为有隔振弹簧；

图4为风机系统的前15阶固有频率所对应的模态振型的位移云图；其中：图4-1为1阶固有频率freq＝1.598hz；图4-2为2阶固有频率freq＝1.624hz；图4-3为3阶固有频率freq＝2.257hz；图4-4为4阶固有频率freq＝2.629hz；图4-5为5阶固有频率freq＝2.741hz；图4-6为6阶固有频率freq＝3.312hz；图4-7为7阶固有频率freq＝10.683hz；图4-8为8阶固有频率freq＝12.656hz；图4-9为9阶固有频率freq＝13.594hz图4-10为10阶固有频率freq＝17.604hz；图4-11为11阶固有频率freq＝21.845hz；图4-12为12阶固有频率freq＝22.293hz；图4-13为13阶固有频率freq＝23.691hz；图4-14为14阶固有频率freq＝25.155hz；图4-15为15阶固有频率freq＝27.024hz；

图5为四个测点的布置图；

图6为四个测点的幅频曲线图；图6-1至图6-4分别为1号测点、2号测点、3号测点、4号测点图；

图7为x、y、z三方向上四个测点的幅频曲线图。图7-1至图7-3分别为x、y、z方向图。

图1中：1-风机2-轴承3-联轴器4-电机5-基础6-弹簧阻尼隔振器7-1号测点8-2号测点9-3号测点10-4号测点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

一种基于风机系统的动力学分析方法，包括如下步骤：

步骤一、风机系统三维模型的建立

所述的步骤一具体为：

1、首先，以某钢铁集团公司炼铁总厂的一台由英国豪顿公司生产的型号为l3n357512184dbl6f的烧结主抽风机为例，如图1所示，风机系统主要包括：风机1、轴承2、联轴器3、电机4、基础5、弹簧阻尼隔振器6。

2、风机主要技术参数

由英国豪顿公司生产的型号为l3n357512184dbl6f的烧结主抽风机的主要技术参数如表1所示。

表1主抽风机的主要技术参数

3、运用solidworks软件建立风机系统的三维模型

风机系统的三维模型较为复杂，要是直接在ansys软件里建立有限元模型则会耗费大量的时间。为了提高建模效率，本发明采用在solidworks软件中先建立风机系统的三维模型，然后再导入ansys软件的方法。在对风机系统进行合理的简化后，本发明采用solidworks软件建立了风机系统的三维模型，如图2所示。

步骤二、把在solidworks软件中建立的风机系统的三维模型导入到ansys软件中，并对相应的模型进行模态分析，得到风机系统的固有频率和模态振型。

所述的步骤二具体为：

1、首先，把在solidworks软件中建立的风机系统的三维模型保存为.parasolid格式并导入ansys软件。

2、在ansys分析中统一采用国际单位制，基础台板采用solid95单元，弹簧隔振器采用combination14单元，基础台板采用钢筋混泥土制成其弹性模量为6e⁹pa，密度为2700kg/m³，泊松比为0.2，弹簧隔振器是由弹簧钢和阻尼器制成，其阻尼系数为5kns/m，刚度为2000000n/m，支撑弹簧的刚度系数k为2000000n/m，风机叶轮采用solid45单元，风机转轴采用solid95单元，风机叶轮采用普通碳钢制成，其弹性模量为2e¹¹pa，密度为7800kg/m³，泊松比为0.3，风机的转轴是由合金钢制成，其弹性模量为2.06e¹¹pa，密度为7800kg/m³，泊松比为0.3。对风机系统模型进行自由网格划分。在风机基础的四角布置4个钢弹簧隔振器，为了增加支撑刚度提高稳定性，在基础的中部布置2个不含阻尼器的支撑弹簧装置。

3、对风机系统进行模态分析，得出风机系统的固有频率和模态振型。

无隔振弹簧和有隔振弹簧时风机系统的固有频率如图3所示。从图3可以看出，隔振弹簧的运用可以明显降低风机系统的固有频率，这有利于提高风机整体的隔振效率。

各阶固有频率对应有一特定的模态振型，在ansys软件中可以方便地得到各个模态振型的位移变化云图。风机系统的前15阶固有频率所对应的模态振型的位移云图如图4所示。

从图4可以看出，前6阶固有频率对应的模态振型只是对隔振弹簧有影响，并不会引起风机系统的强烈变形；从第7阶开始的高阶固有频率对应的模态振型则主要反映的是风机系统的振动变形，其变形是十分明显的，而对于隔振弹簧的影响则较小。当把风机和基础装配到一起形成风机系统后，其刚度是各个组成部件刚度的非线性叠加，单独分析某一部件的运动学特性就会有一定的局限性。因此，在风机系统的实际运行当中，应当避免实际工作频与这些固有频率重合而引起风机系统的共振。

步骤三、对风机系统模型进行谐响应分析，得到了四个测点的幅频曲线图。对所得到的四个测点的幅频曲线图进行分析与研究。

对风机系统模型进行谐响应分析，可以得到风机系统在不同频率下的响应值和这些响应值对应于频率的关系曲线。从这些关系曲线上可以找到峰值响应，并且可以进一步找出峰值频率对应的应力情况。通过对上述响应值、关系曲线和曲线极值的分析研究后，可以对风机系统的持续动力学特性进行预估，并进一步验证原设计是否能够成功地避免疲劳、共振等有害现象。进而可以采取适当的手段优化结构参数，以减小风机系统振动等不良影响。由于轴承振动能够比较集中地反应风机系统的振动情况，因此，在风机的左右两个轴承座以及电机的左右两个轴承座上各布置了一个测点即测点1(7)、测点2(8)、测点3(9)以及测点4(10)，四个测点的布置图，如图5所示。

风机系统的谐响应分析是在风机系统模态分析的基础上进行的。在进行模态分析时没有施加外载荷，只能计算出固有频率、模态振型等结果。对风机系统进行谐响应分析需要根据实际的情况施加上不平衡力，计算出在不同频率的不平衡力作用下风机系统的振动情况。上述四个测点的幅频曲线图，如图6所示。

从图6可以看出，各峰值频率与对风机系统进行模态分析时的固有频率保持一致。同时，一些低阶的固有频率没有出现峰值现象，这是因为低阶固有频率是隔振系统的固有频率，对风机系统的振动贡献不是特别明显，或者说其共振峰值能量太小已经被阻尼系统消耗殆尽。总体上来说，图6中各共振峰值的大小随着频率的增加而增大，这是与不平衡力随着转速的提高而增加的趋势是一致的。但是，在图6中也出现低频共振峰值大于高频共振峰值的现象。出现这种现象的原因是由于风机的隔振系统从中起了隔振作用，隔振系统对于不同频率下的隔振效率是不同的，因此，才会出现低频共振峰值大于高频共振峰值的现象。

风机系统上的4个测点在x、y、z三个方向上的幅频曲线图有所区别，具体如图7所示。

从图7可以看出，4个测点在x、y、z三方向上的峰值频率基本保持一致。从x方向的幅频曲线图中可以看出，4个测点的共振峰值大小基本保持一致，这说明在x方向风机系统的相对变形量较小，这与不平衡力是作用在“y-z”平面之上的实际情况相符合。因为，风机不平衡力与电机不平衡力都是作用在“y-z”平面上的，随着风机转速的提高，不平衡力会随之上升，两个不平衡力会在各测点有不同程度有叠加效应，并且各测点的叠加效应会随着激振频率的改变而改变。从上述y、z方向的-幅频曲线图中对上述猜想得到验证。对比x、y、z三方向的幅频曲线图可以看出，y方向的振动幅值最大，x向的振动幅值最小，这也与不平衡力是作用在“y-z”平面，风机z方向的刚度大于y方向的刚度这一实际情况相符。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。