机械制造与自动化专业论文14837.doc
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1、I 设设 计(论文)计(论文) II 一种低噪声通风机的结构设计及主轴振动分 析 The structure of a low noise fan design and analysis of shaft vibration III 毕业设计(论文)题目:一种低噪声风机结构设计毕业设计(论文)题目:一种低噪声风机结构设计 一、毕业设计(论文)内容及要求(包括原始数据、技术要求、达 到的指标和应做的实验等) 任务内容:任务内容: 1. 查阅相关文献和著作,熟悉国内外研究现状及风机相关知识,翻译外文一 篇。 2. 分析现有的风机图纸,设计一种低噪声风机,包括叶片、壳体、电机等零 件及总装的结构设计
2、,并进行振动特性分析: (1) 低噪声风机结构合理可行,满足技术要求; (2) 合理、准确的设计风机的各个零部件,易于加工制造; (3) 风机结构尽量简单,易于安装、拆卸和方便用户的使用; 3. 利用 AutoCAD 软件绘制实验台的总装配图和重要零部件图。 4. 撰写论文,完成答辩。 原始条件及数据:原始条件及数据: 1. 9-26NO4A 离心通风机图纸; 技术要求:技术要求: 1. 风机轴向进气,右旋风机结构,电机功率自选; 2. 叶轮转速范围 3000rpm,允许质心偏移量为 22m,平衡品质等级为 G5.6 级; 3. 叶片要求低质量、高强度,避免共振现象。 IV V 二、完成后应交
3、的作业(包括各种说明书、图纸等) 1.通风机总装图纸一套,包括关键零部件图纸; 2.毕业设计说明书。 三、三、完成日期及进度 3月1-3月30日:查阅相关文献和著作,熟悉国内外研究现状及风机相关知 识,翻译外文一篇。 4月1日-4月20日:完成新型通风机的结构设计和理论计算,包括叶片、壳 体、电机等零件及总装的结构设计。 4月21日-5月10日:利用 AutoCAD 软件绘制实验台的总配图和重要的零部 件图。 5月11日-5月25日:撰写毕业设计说明书,完成答辩。 四、同组设计者(若无则留空): 方磊 一种通风机的振动特性分析 VI 五、主要参考资料(包括书刊名称、出版年月等): 1李庆宜.通
4、风机M.北京:机械工业出版社,1985. 2Hurault J, Kouidri S, Bakir F, Rey R. Experimental and numerical invest- igation of downstream turbulence in axial flow fan. In: 3rd International symposium fan noise. 2007. 3彭峰.离心风机三维数值计算与研究D武汉:武汉理工大学 交通学院, 2004. 4郭志新,寮国良,徐云胜.离心式通风机的变型设计及计算J.西安交通大 学.1990. 5Kergourlay G, Kouidr
5、i S, Rankin GW, Belamri T, Rey R. Experimental investigation of the 3D unsteady flow field downstream of axial fans. Flow Measurement and Instrumentation 2006. 6廖丽 ,李翠华.我国矿井主通风机设备的现状及发展J.煤炭工程.2004. 7 胡如夫,余大川 . 离心式通风机设计与改造中的降噪方法J.流体机械, 2000. 8、欧阳华,田杰,吴亚东,杜朝辉.基于涡声理论的低速轴流风机的气动噪 声研究J.上海:工程热物理学报,上海交大机械学院
6、,2009-5. 系(教研室)主任: (签章) 年 月 日 学院主管领导: (签章) 年 月 日 VII 摘摘 要要 在各种场合的通风系统中, 风机通常是最基本的噪声源。对于市场上的普通的 离心通风机噪声大,振动大的情况。为了改善工人的工作环境及从环保的角度出发, 本文在前人的研究结果及设计经验基础上,针对风机的降噪和减振进行了研究。 本文的主要内容分为三个部分: 第一部分根据给定的工况进行风机基础结构设计,为后续优化提供必要的数据 支持。 第二部分近似采用单盘临界转速公式计算出主轴的一阶临界转速。简化主轴模 型,并采用刚体动力学理论算出主轴质心的振幅和相位。讨论不同支承方式、主轴 质量、叶轮
7、材料对主轴振动影响。最后对上述结果进行分析比较找出优化的设计方 案。 第三部分根据通风机声辐射理论,推导出不等节距叶片风机的声辐射公式。提 出设计方案并计算理论降噪值。 最终通过分析比较对于 No9-26 10D 高压离心通风的主轴提出改进方案采用 双列圆锥滚子轴承支承;中空主轴;叶轮采用陶瓷材料,这样可以降低主轴端面径 向跳动 66%。对于基频处噪声,根据通风机声辐射理论分析可知采用不等节距设计 可以有效降低峰值达 10dB 左右。 关键词:关键词:离心风机;主轴;振动;降噪;不等节距 VIII Abstract The ventilation system on various occas
8、ions, the fan is usually the most fundamental noise source.On the market ,for general field of centrifugal fan has a lot of noise, strong vibration.In order to improve the working environment of workers ,and from the perspective of environmental protection,in this paper, the results of previous stud
9、ies based on the experience and design for the fan noise and vibration were studied. The main content is divided into three parts: The first part, under the given conditions the fan base structure design for the follow- up to provide the necessary data to support optimization. The second part,calcul
10、ating the first critical speed spindle depend on the single disk critical speed formula.Calculating the centroid axis amplitude and phase based on a simplified model of the spindle.Discuss the different ways support, quality shaft, impeller material vibration of the spindle.Finally, the analysis and
11、 compare these results to find the most optimal design. The third part, according to theory of sound radiation fan,the fan blade pitch range of sound radiation formula is derived.Proposed design and calculated the theoretical noise reduction values. The final design of the spindle structure by enabl
12、ing analysis and comparison,it can reduce 66% of spindle nose runout.For the fundamental frequency of noise, the use of varying pitch design can reduce the peak of about 10dB. Keyword: Centrifugal fan; Spindle; Vibration ; Noise Reduction;Blade pitch range 1 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1.1 引言 .1 1.2 风机减振及
13、降噪的重要意义 .1 1.3 国内外的研究现状 1 1.4 研究计划及主要内容 3 本章小结 4 第二章第二章 通风机基础结构设计通风机基础结构设计 5 5 2.1 风机的性能参数 .5 2.2 风机的设计 .5 2.2.1 计算比转速,确定通风机的类型及叶片的型式.5 2.2.2 选取叶片出口安装角 .6 2.2.3 计算所需圆周速度的大小 .6 2.2.4 确定叶轮的外径及其圆周速度 .6 2.2.5 确定叶片进口直径大小 .7 2.2.6 确定叶轮进口的直径大小 .7 2.2.7 决定叶片数 Z7 2.2.8 确定叶片的进,出口宽度, .8 2.2.9 确定叶片进口安装角大小 .8 2.
14、2.10 验算全压 P.9 2.2.11 叶片的型线绘制 .10 2.2.12 确定蜗壳尺寸 .10 2.2.13 计算通风机所需功率 .12 2.3 主要部件的强度校核 12 2.3.1 计算叶轮后盘的最大切应力,并校核强度 .12 2.3.2 叶片强度计算 13 2.3.3 铆钉的强度计算 14 2.3.4 计算叶轮的重量 .14 2.3.5 主轴强度的校核 15 本章小结 .17 第三章第三章 主轴振动分析主轴振动分析 1818 3.1 主轴临界转速的计算 18 3.1.1 主轴临界转速的基本理论 .18 3.1.2 D 传动方式的转子临界转速.18 3.2 主轴在不平衡力作用下的振动
15、20 3.2.1 简化的刚性转子的振动方程 .20 3.3 计算并分析不同主轴的振型 23 2 3.3.1 讨论不同支承方式下主轴的振型 .23 3.3.2 主轴的质量对主轴振动影响 .27 3.3.3 叶轮质量对主轴振动影响 .30 本章小结 .34 第四章第四章 风机噪声的控制风机噪声的控制 3535 4.1 通风机噪声产生的原因 35 4.1.1 空气动力所产生的噪声 .35 4.1.2 机械振动性噪声 .36 4.1.3 两者相互作用产生的噪声 .36 4.2 不等节距叶片的设计 36 4.2.1 不等节距叶片风机声辐射理论 .36 4.2.2 不等节距叶片相位角 .40 本章小结 .
16、43 结结 论论 4444 展展 望望 4444 致致 谢谢 4545 参考文献参考文献 4646 3 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 在各种场合的通风系统中, 风机通常是最基本的噪声源。噪声的危害是多方 1 面的,噪声不仅对人们正常生活和工作造成极大的干扰,它还影响人们的交谈,思 考,影响人的睡眠,使人烦躁,反应迟钝,工作效率低下,分散人的注意力,引起 工作事故,更严重的情况是噪声可使人的听力和健康受到损害。其次离心式通风在 运行过程中产生的振动大小,是衡量其工作好坏的重要指标之一。离心式通风机振 动过大,将降低风机的使用寿命,增加噪声,甚至损坏风机造成事故。因此, 在环 境保护作
17、为一项基本国策的今天, 对风机噪声机理和降噪方法的研究及减振研究是 十分迫切和具有实际意义的。 1.2 风机减振及降噪的重要意义风机减振及降噪的重要意义 通过分析风机主轴受力,采用刚体动力学理论分析简化的主轴模型,并分析影 响主轴振动的因素,找出优化主轴的模拟方案。 随着现代生活对节能、环保要求日益提高,对开发高效、低噪风机的呼声也 日益强烈,本课题的研究在理论上和实践中都具有重要意义: 第一,通过对风机主轴模型简化,可以分析出影响主轴振动的主要因素。 第二,通过分析对比,可以找出优化的设计方案。在风机设计中可以估算主轴 端面的径向跳动幅值,对类似的刚性轴的振动分析提供了借鉴。对研究风机主轴振
18、 动具有深远的意义。 第三,根据声辐射理论,推导出不等节距叶片风机的声辐射公式。探索不等节 距叶片降噪的机理,为实际生产不等节距叶片风机奠定了理论基础,具有良好的经 济效益和社会效益。 1.3 国内外的研究现状国内外的研究现状 1国内外对风机降噪的研究发展水平 风机噪声就其性质和来源可以分为气动噪声、气体和固体弹性系统相互作用 产生的噪声(即祸合噪声)、机械结构噪声和电机噪声。 风机气动声源主要为宽带噪声和离散噪声。很多研究还就轴流风机气流参数 4 (包括转速、流量系数以及进气畸变等)和结构参数((包括叶栅的结构参数、径向 与轴向间隙、动静叶数目的匹配等)对风机噪声的影响进行了详细的分析,提出
19、了 一些典型的降噪措施(包括旋转围带、锯齿形进气、前倾叶片、不等距叶片、端壁边 界层抽吸等)。虽然离心风机在噪声产生机理、结构和气流参数对噪声的影响、降噪 措施以及噪声理论评估方法等方面进行了大量的研究,但是还是远远落后与轴流式 风机。 其中国外的研究有:1967 年,Lowson就提出了采用周向不等距叶片布置方式 2 以降低轴流压缩机基频噪声的想法。1970 年,Melin 和 Sovran也报道了通过叶片 3 周向不等距分布来降低叶轮离散噪声的方法,还推导了计算不等距叶片离散噪声的 公式。1974 年,Enwald等采用相关技术将一个 22 个叶片的轴流风扇的基频噪声 4 降低了 8dB
20、之多。krishnappa利用不等距叶片模型描述了整个离心风机的辐射声 5 场并进行了相关试验。国内的孙晓峰从叶轮离散噪声计算出发,探讨了离心式风 6 机不等距叶片对观察点基频噪声的影响。试验表明,采用不等距叶片叶轮确实可以 改变前向离心风机的某些峰值噪声的频率和某些频率所对应的噪声峰值,这为前向 离心风机降噪或改善声音的品质提供了可能。陆晓军从叶片的形状考虑,并开展了 相关的研究齿形叶片降低离心式风机噪声的实验研究。结果表明:齿形叶片的降 噪效果与叶道内气流的涡流状态有关,雷诺数 Re 在 41056105 范围内的降噪效 果较为明显,降噪量达到 45 dB,其他范围降噪作用不明显。齿节距
21、t=b/5、齿高 h=b/10 的降噪量为 2.5 dB,下降 2.3%左右,平均全压基本不变,平均效率仅下降 1.5%。 2国内外对风机主轴振动研究发展水平 在这点上研究的理论相对较少,国内有学者提出在风力发电机中的主轴的支撑 方式上采用一端固定双列圆锥滚子轴承,另一端采用游走圆柱滚子轴承。风机主 13 轴轴承布置包括固定端和浮动端,双列圆锥加圆柱的方案相比两个调心轴承的方案 有着很大的优势,因为:双列圆锥提供非常好的径向和轴向承载能力;预紧的双列 圆锥改善了承载区从而更好地分配了载荷提高了样本寿命;双列圆锥轴承的游隙是 预紧的,提供了很好的静态和动态刚性。 双列圆锥加圆柱的方案还有以下好处
22、:减小主轴的轴向偏移;最大程度提高系 统的刚度;由于优化了预紧,最大程度地提高承载区和轴承调整寿命;预紧的圆锥 5 Y 轴承在运行时是纯滚动从而减小滚子滑移;减小了轴向偏移从而降低滚道发生疲劳 损坏的风险;减小了轴向偏移从而在静载下降低假性压痕的可能性;减小了轴向偏 移从而降低了轴向挤压齿轮箱输入轴的风险;双列圆锥优化过的滚道形状可以在比 较高的偏心情况下正常运行。 但并未给出理论探讨,只是与传统的支撑方式优缺点进行了对比。而且没有考 虑其他因素对主轴振动的影响。 1.4 研究计划及主要内容研究计划及主要内容 一研究计划路线图 No 9-26 10D 离心式 风机参数 结构参数设计 主要部件的
23、强度校核 N 主轴振动分析不等节距叶片设计 优化设计方案理论论证 Y 确定方案 N 确定总体优化方案 6 二主要内容 (1).根据给定的风机工况,设计风机的基础结构。并对主要零部件进行强度校 核。 (2).简化主轴模型,分析受力考虑静态下主轴变形,用单盘临界转速的计算公 式估算出主轴的一阶临界转。对主轴模型采用刚体动力学理论,解出质心振动方程, 绘出质心振动曲线由此画出主轴振型图。分析比较找出主轴的优化设计方案。 (3).分析风机主要噪声来源,并分析产生机理。根据通风机声辐射理论,推导 出不等节距叶片风机的声辐射公式。设计不等节距叶片布置方案,计算出理论降噪 值。 本章小结本章小结 本章主要概
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