基于ANSYS workbench风机转子的模态分析

摘 要：三叶式风机转子是罗茨风机系统中重要的工作部件，其转动速度的大小和稳定直接关系到罗茨风机的工况能否正常运行，针对某企业加工生产的三叶式罗茨风机转子进行模态分析，结合UG8.0对相应的风机转子进行简化和实体建模。将简化过的模型导入ANSYS Workbench的模态分析模块，结合相应的预应力分析模块对工况转速条件下的转子模态进行分析，分析转子的前六阶的模态，通过模态分析得到各阶固有频率和实际工况转速相比较，为研究罗茨风机的结构优化和振动分析提供了理论基础。

关键词：罗茨风机；转子；ANSYS；模态分析

引言

罗茨风机作为容积式风机的一种被广泛的应用于生产制造的行业中。因其具有振动小，无，转速高等特点，在冶金，石油，化工等行业的应用尤为突出。罗茨风机的工作原理是利用长圆形风机机壳内一对彼此啮合风机转子转动而进行工况运转的。故风机内部由风机转子分割为几个密闭间隙，通过风机转子的旋转达到改变间隙的的体积大小，进一步实现气体压缩和释放的过程[2]。所以，在罗茨风机的的运行中，其振动问题一直是备受关注的问题。风机转子作为负载转子，在实际工况的低速旋转中，整个转子的结构刚度受到转速和应力载荷的影响而发生改变。故对实际工况下的风机转子进行模态分析是十分必要的。

3 风机转子的模态分析

参照罗茨风机的实际工况可知，风机转子由两侧的轴承固定约束，轴承有一定的刚度和阻尼。而在ANSYS Workbench中的模态分析环节，一般选用计算方法的为线性计算方法，即忽略阻尼对转子系统影响，因此对转子系统的轴承处施加圆柱约束，保证转子符合实际工况条件下的约束。参考该转子的额定转速，对整体转子施加相应的旋转速度，该型号的罗茨风机的额定转速n为1500r/min，即157rad/s，则f=n/60=25Hz。设定求解变形量和应力值并进行求解计算。所得静力分析的结果作为模态分析的基础，直接利用ANSYS Workbench自带的模块化操作，对风机转子进行模态分析。分析方法采用系统默认的Block Lanczos 算法，即模态叠加法。此种算法与子空间计算法精度类似，但是速度更快，对于线性无阻尼的计算较为适合，因风机转子的共振一般发生于低阶固有频率的共振，因此设置模态求解为前6阶，经过求解可得转子前六阶段的固有频率。如表1所示。

由该罗茨风机的额定工况可知，f=25Hz，因此工况转速的激振频率远远低于该风机转子的一阶固有频率，因此不会引起共振的发生，而该罗茨风机中的转子为三叶式转子，转子风机叶在风机壳中旋转一周，会因气体的压缩和减压而受到周期性的载荷冲击。因此可得出该风机转子的通过频率为f2=25×3=75Hz，则通过频率依然远远低于该转子的一阶固有频率。故该转子在额定工况下的旋转不会引起转子本身的共振。

4 结束语

（1）该风机转子在额定转速下的整体刚度变化较小，最大应力为2.1

35MPa，对整体刚度影响较小，可以不予考虑。（2）该风机转子额定工况下一阶固有频率远高于额定工况，同时其一阶固有频率也远高于该风机转子的通过频率，其设计符合要求。（3）基于ANSYS Workbench的模态分析能够结合转子的实际工况对风机转子的固有频率及其影响因素进行分析，方便快捷。且计算其固有频率对于分析风机系统的相互影响以及对罗茨风机的优化设计具有重要意义。

参考文献

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[7]钮冬至，樊启泰.用ANSYS软件研究轴流通风机叶轮的振动特性[J].风机技术，2001，5：29-30+14.

作者简介：王灏（1991-），男，汉，山东潍坊，在读研究生，硕士，山东科技大学，研究方向：流体机械及工程。

张景坡（1990-），男，汉族，河北省沧州市，山东科技大学硕士，研究方向是机械电子工程。