关于地铁轴流风机叶片发生断裂和出现裂纹的分析

　　两闩戈1匣因之前。衍不规定；甩风机停止运竹叶片断裂和裂纹是所有旋转机械在运转过程中普遍存在的重要安全隐患。在分析叶片断裂或裂纹时，对导致安全隐患要原因。笔者在详细讨论软连接影响的同时，对其他重要原因也进行了分析，目的在于探讨导致断裂或裂纹的各种重要因素，为采取措施避免发生事故而提供依据。

　　2风机的几何结构特点以18低压轴流式风机为例，风机的直段风筒与前后锥形段之间是采用软连接。软连接使用帆布材料，接触风机内流场的轴向宽度为25，1.风机运转时，进风口端的软连接内凹约10出风口端的软连接外凸约10它们离叶片的两端距离都很近，约5成的凹凸部分对内流场产生影响，是导致这问出现的主顶的安装角和工作角都是变化的测绘的实际叶片的几何导叶和轮毂头部的几何外形软连接叶片产反涑动方向⑷，机外形尺寸1.

　　事故工况由于具有某种程度的不可逆性和难预测性而使事故分析成为工程分析的难点。使用仿真技术进行数值模拟计算，并结合工程经验分析是可疔经济的分析方法。这里采用知人只，计算流体力学软件计算软连接对风机内流场的影响，采用人3固体有限元软件计算叶片因气动荷载和旋转离心力作用所产生的内应力和变形。

　　运用对比方法分析软连接的影响作用，即计算和比较两种结构情况，假设没有软连接，风筒与锥形段之间平滑过渡地相连；有软连接，且接触内流场的部分的凹凸尺寸达到大值。

　　3叶片气动力的计算31计算的几何和力学模型该型风机的具体几何尺寸参1.风机的转速为98，也，转子14片，静子9片。由于结构的几何对称性，计算中转子采用4的叶道，即采用个叶片的叶背与相邻叶片的叶盆构成个完整的流道。静子采用19的叶道。

　　计算域对风机的进口和出口进行了适当延长，以便流场的均勾分布。整个计算共使用了将近50万个单元，网格的形状和分布24.

　　3.2气动力的计算工况及结果况下的叶片面压力分布。

　　况下的转子通道的流速分布。

　　无论是压力分布的形状，还是速度分布的尺度，在有无软连接的情况下均类似。面压力分布的极大值在存在软连接的情况下，由于流道面积的缩小流速的适当增加，还略有降低。

　　叶片面的积分的力和力矩，在无软连接的情况下还略大，其他相差较少。例如，下的正转工况。

　　3个方向的积分力；个方向的积分力矩有软连接3流场的计算结果将作为叶片应力计算的原始数据。

　　4叶片内应力计算叶片结构的内力和变形分析，采用了大型通用有限元分析软件人，5.6完成4.1几何和力学模型首先，根据前面测得的维叶片外形数据和内流场的计算结果建立叶片的几何模型和力学模型。

　　因风机叶片在风机的旋转轴上均匀分布，故对风机叶片进行有限元分析计算时，可只取出个叶片进行分析。

　　采用中提供的维实体兀对机叶片进行模拟，叶片与轮毂的连接处为结构约束。其总体直角坐标系的轴的正方向自风机的旋转轴中心处垂直向上；轴垂直于轴，其正方向由叶片的叶背指向叶盆。轴与轴和轴的关系是。

　　转动中心在风机的轴线上7.

　　通过。，投进，数据输。如阁8阁9，勿84，56学模型共有节点288个，计算单元23，00多个。

　　无软连接叶片的旋转惯性力可通过人3中的相应计算功能而实现，叶片结构本身的自重也可通过人5程序本身去实现，10.

　　4.4计算结果4.4.1结构位移及刚度4.2计算工况和材料参数对正转工况下，有软连接和无软连接的两种情况进行计算。

　　叶片的材料为铸铝合金1；7丁1.有关参数如下4.3计算荷载及荷载输入风机叶片在风机运行时，所承受的荷载为旋转流场中叶片上的分布压力采用前面的叶片流道内流场的计算4机正转。有软连接时。大位移位为8071=0.807.发生的位肾在叶片顶部阁1没有软连接时。，大位移的为0.，04271=0.427.发，的位置1 4.4.2内力及应力风机正转，有软连接时，大应力值为1.45父1071爪2 13.413发生的位置1314.

　　5.1疲劳断裂在交变循环应力的作用下，叶片经受定次数的应力交变之后发生断裂。因当循环应力超过了定限度并经历了足够多次的交替重复后，在构件内部应力大或材质薄弱处，将产生细微裂纹，这种裂纹随着应力循环次数，加而不断扩展，并逐渐形成宏观裂纹。在扩展过程中，由于应力循环变化，裂纹两面的材料时而相互挤压，时而分离，或时而正向错动，时而反向错动，从而形成断口。另方面，由于裂纹不断扩展，当达到其临界长度时，构件将发生突然断裂。

　　从有限元分析计算的结果可知，在正转工况有无软连接的情况下，风机叶片的应力分布都是合理的，但有软连接14.5妃，1均小于叶片材料的许用应力15，240胗，3.；叶片变形为0.8，7爪爪，相对变形为0.8，75，0=16；无软连接的叶片，大变形为。427.相对变形为427500部和离叶片根部13叶片长度的地方，叶片边缘薄端的应力也比较大。如果材料自身有气孔或组织不匀，则会在大应力处产生裂纹并向边缘扩展，再加上交变荷载的作用，从而引起叶片的疲劳断裂。

　　由于软连接的存在，在较小程度上增大了叶片的变形和内应力，故从计算和设计的角度讲，风机的叶片结构设计和软连接方式是基本合理的，引起叶片断裂不会只是软连接的原因，可能有其他原因。现在地铁风机普遍采用软连接方式在交变应力的作用下，材料的疲劳极限约是其静强度极且，1降低。涛钔的静其合金8曲线不存在水平渐近线，其疲劳极限强度是以某指定寿命例如，58次所对应的应力。因此，随着循环次数的增加，疲劳极限会逐渐下降。

　　笔者分析的风机的离心力，由于不经过计算截面的形心，因而会产生离心交变应力，因此，就出现疲劳断裂的问离心力不考虑气动力作用作用的计算结果。从计算结果看出，叶片的重心和变形偏向叶盆侧。叶片的大应力达到17.4肘，大变形达到，222912.231洲。与考虑气动作用的结果相比，在正转工况下，由于气动力的作用，抵消了部分离心力的作用，叶片的内应力和变形变成4.51和0.87.比仅有离心力作产。牛的成力和变形减少较多。因此，如果设计得佳，可以使得叶片的内应办和变形更小。

　　所以离心惯性力的交变效应可能是叶片产生疲劳裂纹或发生断裂的个原因。此外，由于可能由于质量分布不均句或动平衡较差，产生附加交变载荷，增大了叶片在高速旋转过程中的交变应力，降低了疲劳极限甚至直接引起振动，使叶片碰伤或断裂。

　　5.2小流量下的流体激振引起共振轴流式风机在工作过程中，由于流体作用产生的自激作用有两种方式颤振，叶盆和叶背的面压力分布及其大小不同，由于两面的压差产生的交变合力引起叶片振动；忌祸振，由于叶片尾部的卡门涡街交替脱流引起叶片横向振动，这种情况比较容易在小流量的条件下出现。

　　根据轴流式风机的工作特性曲线，风机在启动运行的过程中，流量由零逐渐增大，在停止风机运行的过程中，流量由大变为零。这两个过程都包含了小流量条件下的工作状态。由于流量减少，叶片的内流道内可能会产生强烈的旋润和分离失速流动，从而激发叶片的自激振动。如果风机所处可能出现这种情况。当自激振动的频率与叶片旋转的固有频率致时，引起叶片的共振，从而造成叶片断裂。

　　此外，由于风机叶片前方没有导流片或来流不均匀，非均匀流对叶片的激振也会使各个叶片的受力不均匀，使叶片产生动应力，直接影响到叶片的寿命和安全。各个叶片顶部间隙相差过大叶片转子与后导叶流场之间的干涉等也会产生类似的作用。

　　5.3叶片与其底座的连接部位存在局部应力集中因为叶片是从根部断裂的，所以有理由怀疑在叶片根部存在定的应力集中。是由于叶片是铸造件，内部可能会存在气孔；是叶片与底座之间的截面变化很大，过渡连接处过渡不够光滑。由于应力集中的存在，大大降低了叶片材料的疲劳极限。同时，对于在交变应力作用下的重要构件，集中的部位。

　　5.4面裂纹扩展般地，构件常常存在微观或宏观裂纹。在静应力作用下，如果应力强度因子裂纹尖端应力场的强弱程度小于材料的断裂初度使裂纹开始扩展的强度因子值，裂纹将不扩展。然而，在交变应力作用下，即使满足这个条件，裂纹也可能产生缓慢扩展。由于疲劳裂纹大多起源于构件面，因此，必须提高叶片层材料的强度改善层的应力状况，以提高叶片的疲劳强度。

　　6建议根据上面的分析，提出以下几点建议在满足设计参数要求的前提下，选用叶片长度比较小的风机；在对叶片进行强度分析时，应适当考虑气动荷载如果正反工况的运行周期相差较小，选用对称式叶型和机组结构。

　　注意风机叶片的内部探伤结果和面加工质量，尤其对面加工质量要引起足够的重视。

　　在安装调试现场做好风机的动平衡调整和机组减振。

　　风机进风口尽量安砚化断面的付称位置呆证来流立分开，不要相距很近。

　　6尽量减少软连接的凹凸尺寸，并使全部叶片顶部与风筒之间的间隙均匀。

　　7定期检查叶片面有无裂纹产生。

　　此外，应进步加强对叶片裂纹扩展和断裂分析方法的研宄。数值模拟无疑是非常重要的甚至是不可或缺的分析手段。但由于引起裂纹和断裂的原因比较复杂，各种因素的作用因子难以量化，因此如何在数值模拟中将它们综合起来进行分析是十分重要的课。

　　收稿2003年2月；作者地址北京市西外上园村；北方交通大学土木建筑工程学院；邮编1441椿顿家柳。松波等。高等转产动力学3论技术与应用。北京机械工业出版。200 2陈佐。流体激振。北京清华大学出版社，1998彭国生中国石化集团公司安令环保局副局长工柯。

　　1958年出生，1984年毕业于大庆石油学院开发系钻井工程专业，多1年从事油田生产及安全管理工作，历任犯又汕田钻井处副处长江汉油田总调度室调度长江汉油1副长之职，具有较丰富的安全生产管理经验。发大然气片筒及井口安个技术等多篇论文杨禹华工程师，安全工，专业硕士，1956年6月生。主要从事机械安全与系统可靠性及机械工程系统摩，磨损与润滑的研究兰t持参加省部级科研项十余项，其中煤矿水泵固体润滑应用研究工业泵的固体润滑材料水轮机过流件防冲蚀气蚀磨损有机复合涂层试验研宄5项分别获湖南省科技进步等奖等奖和湖南省教委科技进步等奖。己公开发论文十多篇，其中有两篇自润滑密封填料函的研究和内燃机减摩保护剂研究被1收录，有5篇论文获市级优秀论文奖。

　　学方面的教学和流体润滑流体机械通风工程等方面的科研工作。

　　曾参加维湍流润滑理论，国家自然科学基金项目，并于20，年9月获得档板滑动轴承离心栗国家发明专利排名第；先后参加北京地铁通风系统改造方案研宄项目，获得1996年度建设部科学技术进少等奖排名第；地铁列车通风改造和开发项目，并获得2000年北京市科学技术进步等奖排名。所主持时北京地铁风机测试数字化方法研究项目获得2002年度北京市科学技术进步1等奖。

　　g杜学东副教授，博士研究生，现舰东科社学信息科学与工程学院。主持和参加了多项省部级项目以及国家然科7基金和国家社会科学基金项的研究，其中生产矿井基本库和煤炭1产计算机形决策支持系统项1通过省部级鉴定。获得省部级科技进步奖项。

　　主要从事计算机算法和应用交通运输与规划以及铁路交迎安企等方面的应1研究，发论文十多篇，出版教材两部主要进疗市场经济条件下旅客票价制定及列车提速效益分析的研究国家社会科学基金项目和铁路安全管理预警系统项目的研究。

　　J猛国家安全生产监督管理局安全科学技术研究中心工程师，硕士。1969年生，1995年毕业于中国矿业大学安全技术及工程专收。主要从事故预防技术研允事故调查与统计分析安全评价等工作，作为课主要成员完成国家九攻关课矿山重大危险源辨识评价技术的研究任务，设计开发了企业职工伤事故统计软件典型事故案例数据库等软件。发了矿井风险评价基本模型研究与探讨瓦斯爆炸事故爆源点张贞阁硕士，现在中冶集1楗筑总院预应力技术研允所1作，主要从事预应力工程的设计施1及研发工作。生于1976年5月，1996，2003年就读于北方交通大学，2000年获该校建筑工程专业学士7位，203年，获防灾减灾及防护工程硕士学位。期间主要研究方向为结构桥梁的减震防灾分析毕业课为铅芯橡胶支座的减隔震效果分析。主要参加了国家自然科学基金项目桥梁减隔震体系统参数优化等项目的研宄任务。