Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля
Комплексно исследовано динамику и прочность осевого вентилятора главного проветривания рудника по добыче медной руды. С целью получения аэродинамических нагрузок и параметров конвективного теплообмена между воздухом проточной части и материалом вентилятора решена циклически симметричная стационарная...
Saved in:
| Published in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99219 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля / В.Г. Мартыненко, Н.И. Гриценко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/1. — С. 44-52. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860040941593690112 |
|---|---|
| author | Мартыненко, В.Г. Гриценко, Н.И. |
| author_facet | Мартыненко, В.Г. Гриценко, Н.И. |
| citation_txt | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля / В.Г. Мартыненко, Н.И. Гриценко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/1. — С. 44-52. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | Комплексно исследовано динамику и прочность осевого вентилятора главного проветривания рудника по добыче медной руды. С целью получения аэродинамических нагрузок и параметров конвективного теплообмена между воздухом проточной части и материалом вентилятора решена циклически симметричная стационарная задача течения воздуха. Определение напряжённо-деформированного состояния конструкции уточнено с помощью учёта неоднородного распределения температур в вентиляторе. Разработан подход к построению циклически симметричной расчётной модели для определения напряжённо-деформированного состояния ротора осевого вентилятора. Результаты статического анализа свидетельствуют о значительной напряжённости шейки хвоста лопатки ротора. Проведенный анализ динамической прочности вентилятора показывает, что отстройка ротора от резонанса между собственными частотами и частотами возбуждающей силы и её кратностей составляет более 20%. С целью уточнения роторной собственной частоты была разработана балочная конечноэлементная модель вентилятора, а также построена соответствующая ей диаграмма Кэмпбелла. Результаты исследований, представленные в виде контурных графиков распределения основных параметров напряжённо-деформированного состояния конструкции, а также табличных значений её динамических характеристик, позволяют сделать вывод о статической и динамической прочности вентилятора.
Комплексно досліджено динаміку та міцність осьового вентилятора головного провітрювання рудника з видобутку мідної руди. З метою отримання аеродинамічних навантажень і параметрів конвективного теплообміну між повітрям проточної частини і матеріалом вентилятора розв’язана циклічно симетрична стаціонарна задача течії повітря. Визначення напружено-деформованого стану конструкції уточнено за допомогою врахування неоднорідного розподілу температур у вентиляторі. Розроблено підхід до побудови циклічно симетричної розрахункової моделі для визначення напружено-деформованого стану ротора осьового вентилятора. Результати досліджень, подані у вигляді контурних графіків розподілу основних параметрів напружено-деформованого стану конструкції, а також табличних значень її динамічних характеристик, дозволяють зробити висновок про статичну та динамічну міцність вентилятора.
The current paper shows a complex research of dynamics and strength of an axial main ventilation fan of a mine for an extraction of a copper ore. In order to gain aerodynamic loads and parameters of a convective heat transfer between an air of a flowing part and a material of the fan a cyclically symmetric stationary problem of
the flow of an air in the guide vane-rotor-straightener system was solved. Determination of the stress-strain state of the structure was clarified with a help of an accounting of an inhomogeneous temperature distribution in the
fan. An approach to the formation of a cyclically symmetric calculation model for the determining of the stressstrain state of the rotor of the axial fan was developed. The results of a static analysis indicate a considerable
tension of a neck of the root of the rotor blade. The detuning of the resonance of the rotor between the main frequencies and the frequency of the exciting force and its multiplicities was greater than 20%. The research results presented as contour plots of the distribution of the main parameters of the stress-strain state of the structure indicate the static and dynamic strength of the fan.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:55:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 44
1
В. Г. Мартыненко
2
Н. И. Гриценко
1
Национальный технический
университет «Харьковский
политехнический институт»,
г. Харьков, e-mail:
martynenko.volodymyr@gmail.com
2
Донвентилятор, г Харьков,
e-mail: donvent@gmail.com
Ключові слова: осьовий вентилятор
головного провітрювання, ротор, робоче
колесо, вал, аеродинамічні навантажен-
ня, задача теплопровідності, міцність.
УДК 62.135.3
АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКОЙ И
ДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОСЕВОГО
ВЕНТИЛЯТОРА С УЧЁТОМ
АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОТОКА И НЕОДНОРОДНОСТИ
ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ
Комплексно досліджено динаміку та міцність осьового вентиля-
тора головного провітрювання рудника з видобутку мідної руди. З
метою отримання аеродинамічних навантажень і параметрів
конвективного теплообміну між повітрям проточної частини і
матеріалом вентилятора розв’язана циклічно симетрична стаціо-
нарна задача течії повітря. Визначення напружено-деформованого
стану конструкції уточнено за допомогою врахування неоднорід-
ного розподілу температур у вентиляторі. Розроблено підхід до
побудови циклічно симетричної розрахункової моделі для визначен-
ня напружено-деформованого стану ротора осьового вентилято-
ра. Результати досліджень, подані у вигляді контурних графіків
розподілу основних параметрів напружено-деформованого стану
конструкції, а також табличних значень її динамічних характери-
стик, дозволяють зробити висновок про статичну та динамічну
міцність вентилятора.
Введение
Вентиляторы главного проветривания – это роторные машины, выполняющие функции обме-
на воздуха между атмосферой и подземными сооружениями и выработками [1].
Такие типы машин являются ключевыми звеньями систем жизнеобеспечения в горнодобы-
вающей промышленности, и, следовательно, к ним выставляются жёсткие требования по аэродина-
мическим и прочностным характеристикам. Кроме того, практически во всех случаях наряду с основ-
ным вентилятором на предприятиях устанавливается резервный, работающий попеременно с основ-
ным.
По способам забора, транспортировки и подачи воздуха вентиляторы главного проветривания
разделяются на центробежные и осевые. Центробежные вентиляторы в большинстве случаев работа-
ют при относительно невысоких окружных скоростях и создают сравнительно высокий перепад дав-
ления воздуха, а осевые, напротив, имеют более высокие обороты и способны перемещать большие
массы воздуха при невысоком перепаде давления. Определённый тип вентилятора выбирается, исхо-
дя из конкретных требований предприятия.
Учитывая тот факт, что 10% использования произведённой электроэнергии в промышленно-
сти приходится на вентиляционные системы [2], вентиляторы главного проветривания должны иметь
оптимальную конструкцию, обеспечивающую максимальный коэффициент полезного действия
(КПД) при заданных параметрах потребления, что достигается при помощи профилирования лопаток
колеса вентилятора, проектирования геометрии входных коробок и дальнейшего применения про-
фессиональных конструкторских и технологических подходов к объединению компонентов машины,
её производству и монтажу.
Поскольку вентилятор главного проветривания является быстроходной роторной машиной,
он находится в интенсивном поле центробежных сил, что накладывает жёсткие ограничения по его
статической и динамической прочности. Ситуация по определению прочностных параметров может
быть усложнена ещё и тем фактом, что за счёт наличия тепловых источников (например, двигателя и
подшипников), с одной стороны, и среды конвективного теплообмена (перемещаемого воздуха), с
В. Г. Мартыненко, Н. И. Гриценко, 2015
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 45
другой, машина имеет значительный температурный градиент. Он требует определения с целью
уточнения свойств материала в той или иной части ротора, а также учёта неоднородности темпера-
турных деформаций.
Не менее важным является и акустический аспект, поскольку данные машины поддаются жё-
сткой регламентации в соответствии с нормами мер безопасности по охране труда.
Все эти факты в целом позволяют сделать вывод о том, что вентилятор главного проветрива-
ния при его проектировании и поверке требует разработки комплексного подхода, учитывающего
взаимное влияние аэродинамических, статических и динамических прочностных, тепловых и акусти-
ческих эффектов.
Основываясь на указанном выше, целью данной работы поставлено создание методов оценки
статической и динамической прочности осевого вентилятора главного проветривания с учётом влия-
ния аэродинамических и тепловых эффектов.
Следует отметить, что задачам определения прочности промышленных вентиляторов уделя-
лось большое внимание ещё до момента разработки крупных программных комплексов конечноэле-
ментного (КЭ) анализа. Так, в работе [3] проведено численное исследование усталостной прочности
лопаток центробежного вентилятора. Его целью является поиск оптимального варианта конструкции
и числа лопаток. В статье [4] дан пример конечноэлементного прочностного анализа рабочего колеса
центробежного вентилятора в постановке циклической симметрии. Приведена картина распределения
напряжений в конструкции. В [5] авторами представлено сравнение экспериментального и теорети-
ческого комплексных исследований прочности, уровня шума и динамики течения газа в колесе цен-
тробежного вентилятора с выводами о влиянии на них упрочняющих колец.
В то же время использование программных комплексов КЭ анализа значительно упрощает и
уточняет задачу по определению прочности конструкций. Например, в работе [6] приведен КЭ расчёт
по определению максимальных эквивалентных напряжений в рабочем колесе центробежного венти-
лятора с анализом мест их расположения и концентрации. Статья [7] на базе КЭ анализа даёт зависи-
мость прочностных характеристик осевого вентилятора со сдвоенными лопатками от частоты его
вращения. В [8] авторы приводят результаты анализа прочности осевого вентилятора с учётом влия-
ния на неё свойств перемещаемого потока газа. В работе [9] проведен комплексный анализ динамики
и прочности элементов вентиляторной установки, включая корпус, рабочее колесо и вал, с дальней-
шей анализом влияния на них конструктивных особенностей и модификаций. Публикация [10] де-
монстрирует методику проектирования и расчёта лопаточного венца шахтного вентилятора методами
программного комплекса конечноэлементного анализа.
Тем не менее, ни одна из приведенных работ не предполагает анализа динамики и прочности
вентилятора с учётом взаимного влияния аэродинамических, тепловых и механических эффектов,
поэтому данная статья посвящена разработке ме-
тодики по проведению такого анализа.
1. Краткие сведения об осевом вентиляторе ВО-
32
Нереверсивный осевой вентилятор главно-
го проветривания рудника ВО-32 (рис. 1) спроек-
тирован и изготовлен специалистами научно-
производственного объединения «Донвентилятор»
с целью замены отработавшего установленный
срок эксплуатации центробежного вентилятора
ВЦД-31,5 на руднике по добыче медной руды
«Орловский» корпорации «Казахмыс» (республи-
ка Казахстан).
Главная задача проекта заключалась в том,
чтобы спроектировать вентилятор с перепадом
полного давления 9650 Па и расходом 355 м
3
/с
взамен устаревшего вентилятора ВЦД-31,5 таким
образом, чтобы он мог быть смонтирован в дейст-
Рис. 1. Рабочее колесо вентилятора с частью
спрямляющего аппарата (лопатки рабочего
колеса демонтированы перед транспортировкой)
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 46
вующее здание с малейшими доработками его фундамента и стен, что накладывало жёсткие требова-
ния к весу и габаритам конструкции и, соответственно, требовало нового научного подхода к проек-
тированию вентиляторной установки.
Рис. 2 иллюстрирует общий вид вентиляторной установки. На рис. 2, а изображены её вход-
ные коробки, смонтированные на бетонном основании, со схематически показанным двигателем.
Данная конструкция входных коробок была специально разработана для выполнения жёстких требо-
ваний по габаритам, весу и производительности установки. На рис. 2, б представлена конструктор-
ская модель ротора осевого вентилятора ВО-32.
Вал и рабочее колесо вентилятора изготовлены из высококачественной углеродистой стали, а
лопатки – из лёгкого алюминиевого сплава. При этом вентилятор предназначен для перемещения
массы воздуха с температурой в пределах от –5 °C до 40 °C со скоростью вращения 750 об/мин. Он
закреплён в двух роликовых подшипниках – радиально-упорном и упорном.
Практически весь эксплуатационный период вентилятор работает на стационарном режиме с
минимальными числом пусков и остановов.
2. Аэродинамический расчёт проточной части вентиляторной установки
Чтобы получить картину распределения аэродинамических нагрузок на лопатки рабочего ко-
леса, а также параметров конвективного теплообмена между воздухом проточной части и материалом
вентилятора, в программном комплексе конечноэлементного анализа решена стационарная задача
течения газа через систему направляющий аппарат-ротор-спрямляющий аппарат в постановке цикли-
ческой симметрии.
На рис. 3, а показана конечнообъёмная модель проточной части вентиляторной установки.
Следует отметить, что использованная постановка задачи позволяет учесть разницу в числе ступеней
статор-ротор-статор, а также корректно отразить условия сопряжения между интерфейсами вращаю-
щихся и неподвижных частей газа.
Входной информацией для аэродинамического расчёта являлись граничные условия (полное
давление Pt = 101325 Па на входе направляющего аппарата; массовый расход Q = 420 кг/с на выходе
спрямляющего аппарата; условия периодической симметрии на соответствующих гранях объёмов
воздуха), а также свойства материала среды при рабочей температуре вентилятора 25°C [11].
В результате проведения анализа стационарного течения газа получена картина распределе-
ния его кинематических и силовых характеристик в проточной части вентилятора, в частности, рас-
пределение вектора скоростей и значений полного давления. На рис. 3, б показано распределение
полного давления в меридиональном сечении проточной части турбомашины. Кроме того, в соответ-
а) б)
Рис. 2. Установка главного проветривания на базе вентилятора ВО-32
с приводным электродвигателем мощностью 4,5 МВт:
а) – входные коробки; б) –вентилятор
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 47
ствии с выбранной моделью теплопередачи [12], получены параметры конвективного теплообмена
среды (а именно, поверхностный коэффициент α и сдвиговая температура Tref), впоследствии исполь-
зованные для анализа теплопроводности в вентиляторе.
3. Расчётная модель для теплового и прочностного анализов
В процессе построения расчётной модели для проведения основных типов анализов конст-
рукторская модель ротора осевого вентилятора ВО-32, изображённая на рис. 2, б, была подвергнута
ряду геометрических упрощений, существенно не влияющих на точность определения температур-
ных полей и полей основных параметров напряжённо-деформированного состояния (НДС), но спо-
собных значительно увеличить размерность решаемой впоследствии конечноэлементной задачи.
Поскольку жёсткость подшипников является намного большей сравнительно с жёсткостью
конструкции, в расчётной модели они были заменены жёсткими опорами с соответствующими мес-
тами и направлениями закреплений. Кроме того, в ходе проведения предварительных анализов было
установлено, что неучёт веса конструкции не вносит значительной погрешности в получение основ-
ных характеристик НДС конструкции, а это позволило для снижения размерности задачи и числен-
ной погрешности рассматривать её в постановке циклической симметрии (рис. 4).
Общий вид расчётной модели показан на рис. 4, а. При этом особое внимание было уделено
построению конечноэлементной сетки лопатки вентилятора (рис. 4, б), в особенности её хвоста как
ожидаемого места концентрации напряжений [13].
а) б)
Рис. 3. Расчёт проточной части вентилятора:
а) – конечнообъёмная модель; б) – результаты аэродинамического расчёта
а) б)
Рис. 4. Конечноэлементная модель вентилятора:
а) – общий вид; б) – область лопатки
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 48
В качестве тепловых нагрузок к конструкции в местах контакта вала ротора с подшипниками
были приложены их постоянные температуры 70 °C, в месте контакта вала с муфтой привода – по-
стоянная температура 30 °C, на поверхностях рабочего колеса – параметры конвективного теплооб-
мена с воздухом при 25 °C, а на поверхностях пера лопатки – параметры конвективного теплообмена
с воздухом, полученные и описанные в п. 2.
В качестве механических нагрузок к конструкции были приложены центробежная сила, опре-
деляемая частотой вращения ротора n = 750 об/мин, а также импортированное из анализа стационар-
ного течения газа давление на поверхности пера лопатки.
4. Результаты теплового анализа и анализа статической прочности
Поскольку компоненты рассматриваемого вентилятора состоят из различных материалов, то
анализ его статической прочности должен быть произведен отдельно для каждой из составляющих,
то есть для НДС в стальных и алюминиевых элементах.
С учётом особенностей нагружения и разрушения стали и алюминия, для оценки статической
прочности конструкции использовался критерий текучести фон Мизеса, согласно которому пласти-
ческие деформации при сложном напряжённом состоянии происходят, если определённая величина,
называемая эквивалентным по Мизесу напряжением σeqv, превышает некоторое допустимое значение
[σ], определяемое в данном случае пределом текучести материала [13]
])()()[(
2
1 2
13
2
32
2
21 σ−σ+σ−σ+σ−σ=σ
eqv
, (1)
где σ1, σ2, σ3 – главные напряжения;
[σ] = σT /s, (2)
где σT – предел текучести материала, s – коэффициент запаса.
Таким образом, критерием прочности в данном случае является следующее выражение:
іieqv
][
max
)( σ≤σ , (3)
где i = 1,2 – коэффициент материала.
Рис. 5 демонстрирует результаты выполненных расчётов. На рис. 5, а схематически проиллю-
стрировано давление, импортированное из аэродинамического расчёта, описанного в п. 2. На рис. 5, б
приведены результаты теплового анализа ротора вентиляторной установки ВО-32, а именно, темпе-
ратурное поле в конструкции. Как видно из рисунка, максимальная температура 70 °C достигается в
месте посадки ротора в подшипники, а минимальная температура 22,13 °C – в пере лопатки. Кроме
того, наиболее высокий температурный градиент наблюдается на валу при том, что по мере перехода
от рабочего колеса к перу лопатки он убывает.
Полученные результаты аэродинамического и теплового анализов в дальнейшем используют-
ся при решении прочностной задачи для корректирования свойств материала при различных темпе-
ратурах, учёта влияния термодеформаций и термонапряжений на общее напряжённо-
деформированное состояние конструкции.
На рис. 5, в и 5, г изображены контурные графики распределения эквивалентных по Мизесу
напряжений соответственно в алюминиевых и стальных элементах конструкции.
Как видно из графиков, максимальные эквивалентные по Мизесу напряжения в алюминиевой
лопатке достигаются в её корне и составляют 80,3 МПа, а в рабочем колесе –149,45 МПа. С учётом
установленного коэффициента запаса n = 1,5 можно сравнить полученные значения с допустимыми:
80,3 [МПа] < 250 [МПа] /1,5 = 167 [МПа] и 149,45 [МПа] < 265 [МПа] /1,5 = 177 [МПа] для алюминия
и для стали соответственно. Таким образом, можно сделать вывод о статической прочности вентиля-
тора.
5. Результаты анализа динамической прочности
Анализ динамической прочности турбомашины, которой является осевой вентилятор главно-
го проветривания ВО-32, включает в себя ряд мероприятий по оценке уровня его отстройки от резо-
нансных режимов, мало- и многоцикловой усталости.
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 49
В данной работе представлена методика проведения модального анализа с целью определения
критических скоростей вращения ротора вентиляторной установки. Анализ многоцикловой усталости
от действия небаланса и циклических аэродинамических нагрузок представляет собой отдельную за-
дачу, которая не входит в рамки рассмотрения данной работы. В то же время вентилятор является
машиной со сравнительно небольшим количеством циклов пусков и остановов, работающей в преде-
лах упругих деформаций, что отодвигает потребность в анализе многоцикловой усталости на второй
план [14].
Первые шесть собственных частот рассматриваемого ротора имеют следующие значения:
30,5; 58,8; 69,2; 86,4; 118,4; 120,7 Гц.
На рис. 6 показаны и пронумерованы соответствующие указанным собственным частотам
собственные формы колебаний ротора. Расчёт выполнен с учётом преднапряжённого состояния, воз-
никающего от действия статических нагрузок и описанного в п. 4.
а) б)
в) г)
Рис. 5. Результаты расчётов:
а) – импортированное давление; б) – импортированная температура;
в) – эквивалентные напряжения в лопатке; г) – эквивалентные напряжения в роторе
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 50
Как видно из рисунка, пятая собственная форма колебаний вентилятора является первой соб-
ственной формой колебаний вала. Поскольку трёхмерный конечноэлементный анализ использован-
ного программного пакета не имеет возможности определения собственных частот ротора с учётом
влияния гироскопического момента [15], указанная собственная частота должна быть уточнена с по-
мощью проведения модального анализа на балочной модели вала с соответствующими реальной кон-
струкции поперечными сечениями и диском, имеющим массовые характеристики рабочего колеса
вентилятора и показанного схематически чёрной точкой. На рис. 6 под номером 5' изображены ба-
лочная конечноэлементная модель и первая собственная форма колебаний вала, полученная с её по-
мощью.
На рис. 7 приведена диаграмма Кэмпбелла для рассматриваемой балочной модели, соответст-
вующая влиянию на ротор сил небаланса для кратности возбуждающей нагрузки j = 1. После прове-
дения серии аналогичных расчётов для высших кратностей возбуждающих нагрузок становится воз-
можным построение сводной таблицы
первых критических частот рассматри-
ваемого ротора и уровня его отстройки
от резонансных режимов.
При этом оценка отстройки ро-
тора от резонансных режимов, пока-
занной в таблице, проводилась соглас-
но методике, основанной на использо-
вании следующей эмпирической фор-
мулы [16]:
%100*]/)*[( nnjff iij −=∆ , (4)
где ∆fij – запас отстройки, fi – собст-
венная частота колебаний ротора, n –
частота возбуждающей нагрузки, i –
номер собственной частоты, j – крат-
ность возбуждающей нагрузки.
Рис. 6. Собственные формы колебаний ротора
Рис. 7. Диаграмма Кэмпбелла
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 51
Отстройка ротора от резонансных режимов
Кратность, % № критической
частоты
Значение,
Гц 1-я 2-я 3-я 4-я 5-я 6-я
1 30,5 144 370 454 591 847 866
2 58,8 44 270 354 491 747 766
3 69,2 56 170 254 391 647 666
4 86,4 156 70 154 291 547 566
5 120,7 356 130 46 91 347 366
6 139,7 1018 902 788 670 553 405
Кроме того, первая критическая частота ротора превышает рабочую частоту вращения, что
свидетельствует о его работе на дорезонансных режимах.
Итак, проведённый анализ критических частот вращения ротора вентиляторной установки
показывает удовлетворительный уровень его отстройки от резонансных режимов, что подтверждает
оптимальность конструкции вентилятора ВО-32.
Заключение
Проведённый анализ течения газа в проточной части вентиляторной установки позволил оп-
ределить параметры нагружения лопаточного венца и его конвективного теплообмена со средой, что
повысило эффективность и точность расчётов динамики и прочности вентилятора.
Определённое с помощью стационарного анализа теплопроводности температурное поле в
роторе было использовано для уточнения физических свойств материала в различных точках конст-
рукции и учёта её термодеформаций.
Статический прочностной анализ вентилятора показал, что максимальное значение эквива-
лентных по Мизесу напряжений в стальных элементах конструкции составляет 149,45 МПа, а в алю-
миниевых 80,3 МПа, что позволяет сделать выводы о её статической прочности.
В результате проведения модального анализа ротора вентиляторной установки установлено,
что запас отстройки его критических частот от возбуждающих нагрузок и их кратностей превышает
20%. Кроме того, работа вентилятора осуществляется в дорезонансном диапазоне. Это свидетельст-
вует об отстройке машины от резонансных режимов.
Таким образом, вентилятор ВО-32, изготовленный специалистами научно-производственного
объединения «Донвентилятор», является оптимальной с точки зрения аэродинамических и прочност-
ных характеристик конструкцией.
Анализ динамической прочности вентилятора с точки зрения многоцикловой усталости тре-
бует разработки методики связанного аэродинмического-теплового-прочностного динамического
анализа переходных процессов, что является предметом дальнейших исследований в данной области.
Литература
1. Брусиловский, И. В. Аэродинамика осевых вентиляторов / И. В. Брусиловский. – М.: Машиностроение, 1984.
– 240 с.
2. Иванов, С. К. Осеввые высоконапорные вентиляторы обеспечивают энерго- и материалоснабжение /
С. К. Иванов, Ю. Н. Киклевич // Всеукраин. науч.-техн. журн. – 2004. – № 4. – С. 15–17.
3. Pereyaslavets, L. A. Method of comparative analysis of the fatigue strength of centrifugal fan blades /
L. A. Pereyaslavets. – Kyiv: Strength of Materials, 1980. – P. 565.
4. Ramamurt, V. Steady state stress analysis of centrifugal fan impellers / V. Ramamurti, P. Balasubramanian // Com-
puters & Structures. – 1987. – Vol. 25, № 1. – P. 129–135.
5. Bhope, D. V. Experimental and theoretical analysis of stresses, noise and flow in centrifugal fan impeller /
D. V Bhope, P. M. Padole // Mechanism and Machine Theory. – 2004. – Vol. 5, № 2. – P. 115–120.
6. Wang, S. L. Investigation of Strength in G4-73 Type Centrifugal Fan Impeller / S. L. Wang, Z. Sun, Z. R. Wu // Ad-
vanced Materials Research. – 2011. – Vol. 383, № 1. – P. 5669–5673.
7. Krasyuk, A. Estimating strength of high-loaded impellers of large-size mine axial fans / A. Krasyuk, E. Russky,
N. Popov // J. of Mining Sci. – 2012. – Vol. 48, № 2. – P. 314.
8. Wang, S. L. Study on the Strength of Axial Fan Blades Based on Fluid-Solid Coupling / S. L. Wang, S. F. Liang,
B. Hu // Appl. Mech. and Materials. – 2013. – Vol. 448, № 5. – P. 3382–3385.
ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ МАШИН
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 4/1 52
9. Козюрин, С. В. Динамика и прочность рабочих колес со сдвоенными листовыми лопатками осевых вентиля-
торов главного проветривания: Aвтореф дис. … д-ра техн. наук /Козюрин Сергей Владимирович, – Новоси-
бирск, 2004. – 125 с.
10. Мелехина, О. В. Проектирование и анализ нового шахтного вентилятора инструментом ANSYS Workbench
[Электронный ресурс] / О. В. Мелехина, Г. С. Новаковский. – Режим доступа: или URb: http://www.mining-
media.ru/ru/article/newtech/118-proektirovanie-i-analiz-novogo-shakhtnogo-ventilyatora-instrumentom-ansys-
workbench. – 17.05.2011 г.
11. Temperature, density, specific heat, thermal conductivity, expansion coefficient, kinematic viscosity and Prandtl's
number for temperatures ranging –150–400 °C [Электронный ресурс] – Режим доступа: или URb:
http://www.engineeringtoolbox.com/air-properties-d_156.html.
12. Кубо, Р. Термодинамика / Р. Кубо. – М.: Мир, 1970. – 304 с.
13. Биргер, И. А. Прочность и устойчивость: В 2-х т. / И. А. Биргер, Я. Г. Пановко. – М.: Машиностроение, 1988.
– Т. 1 – 831 с.
14. Серенсен, С. Динамическая прочность в машиностроении / С. Серенсен, И. Тетельбаум. – Л.: Гос. науч.-
техн. изд. машиностроит. лит., 1940. – 376 с.
15. Бабаков, И. М. Теория колебаний / И. М. Бабаков. – М.: Дрофа, 2004. – 591 с.
16. Колесников, К. С. Вибрации в технике. Колебания машин, конструкций и их элементов / К. С. Колесников. –
М.: Машиностроение, 1978. – 544 с.
Поступила в редакцию 25.10.15
Р. У. Оруджева,
канд. физ.-мат. наук
Азербайджанский
аграрный университет
Азербайджан, г. Баку,
e-mail: brrustam@mail.ru
Ключові слова: ізотропне
середовище в неоднорідному
напруженому полі, зона пере-
друйнування зі зв’язками між
берегами, сила зчеплення,
зародження тріщини.
УДК 539.375
ЗАРОЖДЕНИЕ ТРЕЩИНЫ В ИЗОТРОПНОЙ
СРЕДЕ В НЕОДНОРОДНОМ НАПРЯЖЕННОМ
ПОЛЕ
Дається математичний опис розрахункової моделі зародження тріщини в
ізотропному середовищі в неоднорідному напруженому полі. Використовуєть-
ся модель зони передруйнування зі зв’язками між берегами. Задача про рівно-
вагу зони передруйнування (зони ослаблених міжчасткових зв’язків матеріалу)
в ізотропному середовищі під дією неоднорідного напруженого поля зводиться
до розв’язання системи двох інтегродиференційних рівнянь. Інтегральні рів-
няння потім зводяться до системи нелінійних алгебраїчних рівнянь, яка
розв’язується методом послідовних наближень. Сформульовано критерій за-
родження тріщини. Знайдено зусилля в зв’язках між берегами зони передруй-
нування, її розмір, граничні зовнішні навантаження, за яких в середовищі вини-
кає тріщина.
Введение
Разрушение реальных материалов является сложным процессом и для различных материалов
протекает по-разному в зависимости от особенностей структуры материала, его химического состава,
вида напряжения и прочих факторов. В настоящее время известно несколько механизмов трещинооб-
разования [1–4]. Для практики исследования вопросов зарождения трещины в материалах и конст-
рукциях имеет важное значение.
Постановка задачи
Рассмотрим однородную изотропную среду. На бесконечности действуют напряжения, яв-
ляющиеся полиноминальными функциями декартовых координат х и у. По мере нагружения среды
силовой нагрузкой в ней будут возникать зона предразрушения, которую моделируем как область
ослабленных межчастичных связей материала. Трещинообразование в среде под действием силовой
нагрузки исследуется с помощью модели зоны предразрушения со связями между берегами [3]. Раз-
меры зоны предразрушения заранее неизвестны и зависят от вида материала. Принято, что между
берегами зоны предразрушения имеются связи (силы сцепления между частицами материала среды),
Р. У. Оруджева, 2015
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99219 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:55:36Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Мартыненко, В.Г. Гриценко, Н.И. 2016-04-24T18:30:59Z 2016-04-24T18:30:59Z 2015 Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля / В.Г. Мартыненко, Н.И. Гриценко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 4/1. — С. 44-52. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99219 62.135.3 Комплексно исследовано динамику и прочность осевого вентилятора главного проветривания рудника по добыче медной руды. С целью получения аэродинамических нагрузок и параметров конвективного теплообмена между воздухом проточной части и материалом вентилятора решена циклически симметричная стационарная задача течения воздуха. Определение напряжённо-деформированного состояния конструкции уточнено с помощью учёта неоднородного распределения температур в вентиляторе. Разработан подход к построению циклически симметричной расчётной модели для определения напряжённо-деформированного состояния ротора осевого вентилятора. Результаты статического анализа свидетельствуют о значительной напряжённости шейки хвоста лопатки ротора. Проведенный анализ динамической прочности вентилятора показывает, что отстройка ротора от резонанса между собственными частотами и частотами возбуждающей силы и её кратностей составляет более 20%. С целью уточнения роторной собственной частоты была разработана балочная конечноэлементная модель вентилятора, а также построена соответствующая ей диаграмма Кэмпбелла. Результаты исследований, представленные в виде контурных графиков распределения основных параметров напряжённо-деформированного состояния конструкции, а также табличных значений её динамических характеристик, позволяют сделать вывод о статической и динамической прочности вентилятора. Комплексно досліджено динаміку та міцність осьового вентилятора головного провітрювання рудника з видобутку мідної руди. З метою отримання аеродинамічних навантажень і параметрів конвективного теплообміну між повітрям проточної частини і матеріалом вентилятора розв’язана циклічно симетрична стаціонарна задача течії повітря. Визначення напружено-деформованого стану конструкції уточнено за допомогою врахування неоднорідного розподілу температур у вентиляторі. Розроблено підхід до побудови циклічно симетричної розрахункової моделі для визначення напружено-деформованого стану ротора осьового вентилятора. Результати досліджень, подані у вигляді контурних графіків розподілу основних параметрів напружено-деформованого стану конструкції, а також табличних значень її динамічних характеристик, дозволяють зробити висновок про статичну та динамічну міцність вентилятора. The current paper shows a complex research of dynamics and strength of an axial main ventilation fan of a mine for an extraction of a copper ore. In order to gain aerodynamic loads and parameters of a convective heat transfer between an air of a flowing part and a material of the fan a cyclically symmetric stationary problem of
 the flow of an air in the guide vane-rotor-straightener system was solved. Determination of the stress-strain state of the structure was clarified with a help of an accounting of an inhomogeneous temperature distribution in the
 fan. An approach to the formation of a cyclically symmetric calculation model for the determining of the stressstrain state of the rotor of the axial fan was developed. The results of a static analysis indicate a considerable
 tension of a neck of the root of the rotor blade. The detuning of the resonance of the rotor between the main frequencies and the frequency of the exciting force and its multiplicities was greater than 20%. The research results presented as contour plots of the distribution of the main parameters of the stress-strain state of the structure indicate the static and dynamic strength of the fan. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Динамика и прочность машин Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля Analysis of static and dynamic strength of the axial fan considering aerodynamic properties of the flow and nonuniformity of temperature field Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля Мартыненко, В.Г. Гриценко, Н.И. Динамика и прочность машин |
| title | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля |
| title_alt | Analysis of static and dynamic strength of the axial fan considering aerodynamic properties of the flow and nonuniformity of temperature field |
| title_full | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля |
| title_fullStr | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля |
| title_full_unstemmed | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля |
| title_short | Анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля |
| title_sort | анализ статической и динамической прочности осевого вентилятора с учётом аэродинамических свойств потока и неоднородности температурного поля |
| topic | Динамика и прочность машин |
| topic_facet | Динамика и прочность машин |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99219 |
| work_keys_str_mv | AT martynenkovg analizstatičeskoiidinamičeskoipročnostiosevogoventilâtorasučetomaérodinamičeskihsvoistvpotokaineodnorodnostitemperaturnogopolâ AT gricenkoni analizstatičeskoiidinamičeskoipročnostiosevogoventilâtorasučetomaérodinamičeskihsvoistvpotokaineodnorodnostitemperaturnogopolâ AT martynenkovg analysisofstaticanddynamicstrengthoftheaxialfanconsideringaerodynamicpropertiesoftheflowandnonuniformityoftemperaturefield AT gricenkoni analysisofstaticanddynamicstrengthoftheaxialfanconsideringaerodynamicpropertiesoftheflowandnonuniformityoftemperaturefield |