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摘 要：离心通风机是最为常见的通风装置，被广泛应用于机车、矿井、隧道、工厂等众多领域。叶轮作为通风机的重要组成部分，为一个高速旋转的部件，其受力情况比较复杂;因此，对叶轮进行强度校核是非常有必要的，其强度和可靠性是风机的安全运行的基础。基于此，本文主要对非金属叶轮离心通风机进行阐述分析，研究非金属叶轮离心通风机在机车中的应用。
关键词：非金属叶轮;离心通风机;在机车中的应用
1机车使用离心通风机叶轮的现状问题
随着新一代干线机车技术含量和技术要求的逐步提高，大功率电力机车对离心通风机的要求也越来越高。我国机车用离心通风机叶轮绝大部分使用钢板焊接，在实际运用过程中存在重量大、残余不平衡量大的问题，造成离心通风机在实际应用中存在起动扭矩和振动值大的现象，致使电动机故障率居高不下，主要表现为电动机轴承异音、润滑油脂流失等现象，最终导致电动机故障，引起整个离心通风机故障。为解决上述问题，研究发明了一种强度高、重量轻、阻燃的离心通风机用非金属叶轮，可以显著改善上述问题。
2非金属离心叶轮的研发
2.1设计方法概述
目前机车离心通风机的设计采用了参数化建模、模拟计算、优化设计的方法，取代了传统机车离心通风机设计采用的叶栅理论及二维假设方法，该方法以叶轮初步设计外形或基础叶轮外形为基础，进行优化和参数化设计。
2.2非金属离心叶轮的优点
非金属离心叶轮的优点主要从3个方面考虑：材料、结构和热稳定性。（1）材料方面。材料选择主要是从机械强度、阻燃要求和耐磨性来考虑，目前非金属材料的选择是：PA66103HSL，添加阻燃剂和热稳定剂来满足使用要求（简称：非金属材料）。焊接叶轮材料主要选择的是钢板Q235A;与金属材料相比非金属材料具有高强度、低密度和高刚度的优点，可满足应用环境温度为-40～+40℃，阻燃满足EN45545或DIN5510-2阻燃要求。非金属叶轮材料与焊接叶轮材料（Q235A）机械性能对比如表1所列。（2）结构方面。由于加工条件的限制，采用钢板焊接的离心叶轮叶型只能做到简单的直片或弧形，很难达到翼型二阶连续的水平，且存在叶片表面粗糙度过大的现象。而非金属叶轮采用注塑的方式，可以将叶型设计成更加符合流道的翼型结构叶片，可以完全模拟理论外形，有效抑制气流的分离，从而提高离心风机的气动性能，降低气动噪声;且叶片表面光滑，摩擦阻力小，气流能量损失小，风机效率高;叶轮一次成型材料分布均匀，无需动平衡即可满足使用要求。（3）热稳定性方面。将经过不同老化时间的试样进行力学性能测试，得到拉伸强度和冲击强度试验数据，通过比较可以看出添加热稳定剂的材料和未添加热稳定剂的材料在机械性能上有显著差异，在拉伸强度方面，老化时间越长，未添加热稳定剂的材料拉伸强度大致下降到50%左右;添加了热稳定剂的材料，拉伸强度始终处于缓慢下降过程，到老化2000h后，拉伸强度还能保持70%以上，说明在材料中加入热稳定剂，对材料的长期老化性能起至关重要的作用。
通过SEM（电子显微镜）观察老化前、后的拉伸试样断口的微观形貌可以直接观察到经过长时间老化后与基体界面黏结情况。未加热稳定剂的非金属材料在未老化和老化2000h后放大200倍的SEM照片中表示出，未老化的材料中树脂结合紧密，试样所受的拉力能很好地传递;而在老化2000h后，材料拔出长度较长，说明经过长时间老化后，作用力已经变弱，很难形成有效的力传递效果，最终导致力学强度下降。我们在未老化和老化1500h后放大1000倍的SEM照片中同样可以发现以上所述结果。可以看出该非金属材料添加热稳定剂之后，对老化和冲击起到了至关重要的作用，完全可以满足机车对叶轮寿命（15年）的要求。
3 理论计算对比
以某公司生产的电力机车牵引电机通风机为模型，设计了非金属叶轮的离心通风机，经CFD理论计算，非金属叶轮离心风机与原焊接叶轮离心风机的气动性能比较，如表2所列。
通过表2可以看出，采用非金属叶轮的离心风机能有效改善叶片的空气动力学性能，同时减小电动机的负载，提高风机的效率，降低风机噪声。
4非金属叶轮离心风机优势
4.1低噪音、高效率
非金属叶轮可以将叶型设计成更加符合流道的翼型结构叶片，可以完全模拟理论外形，有效抑制气流的分离，从而提高离心风机的起动性能，降低气动噪声;且叶片表面光滑，摩擦阻力小，气流能量损失小，风机效率高。
4.2重量轻、振动值低
因非金属叶轮重量远低于焊接叶轮，且材质均匀，使主轴所受载荷和不平衡力降低、振动更稳定，使输出功率更平滑、稳定且风扇振动值明显降低。
4.3能耗低、故障率低
离心通风机起动扭矩与叶轮的质量和半径有关系，且基本成正比，可以降低驱动电机的能量消耗，改善电机运行负荷，从而减少电机故障，延长使用寿命，同時缩短起动时间、降低起动电流。
5高效、合理地维护离心风机设备
离心式风机的运行维护保养是重要的环节，只有科学合理地对其进行保养，才能保障其使用寿命。离心式风机的维修和保养流程比较简单，但是必须严格按照相关流程和标准执行，避免其存在安全隐患。例如：对风机的运行状态进行检测，使其处于最佳的工作状态;检查风机运行过程中是否存在异味或噪声，同时还要检查设备的磨损情况，保障磨损没有超过标准范围;检查设备运行时的温度，温度过高可能是设备存在超负荷运转的情况;保障设备的紧密度在标准范围之内，避免出现漏风等情况。
结语
综上所述，因为非金属材料质量较轻、强度较好，抗腐蚀良好的特点，合理的应用到机车设计中，一定程度上能够改善离心通风机的气动性能，减少驱动电机负载，降低功率消耗和气动噪声，值得在机车离心通风机技术领域推广使用。
参考文献：
[1]张翔.高比转速离心通风机叶轮与蜗壳匹配性研究[D].西安理工大学，2020.
[2]李林峰，刘兵.离心通风机振动超标的原因分析及解决措施[J].设备管理与维修，2020（08）：162-164.
[3]刘军芳.离心式矿用通风机监控系统性能的优化改进研究[J].机械管理开发，2019，34（11）：140-141+154.
[4]黄新.离心式通风机滚动轴承故障诊断案例分析[J].内燃机与配件，2019（18）：163-165.
[5]李德.煤矿离心式主通风机改造及应用[J].机械管理开发，2019，34（06）：158-160.
[6]冯培军.离心式通风机结构优化研究[J].机械管理开发，2018，33（11）：101-102+167.
关键词：非金属叶轮;离心通风机;在机车中的应用
1机车使用离心通风机叶轮的现状问题
随着新一代干线机车技术含量和技术要求的逐步提高，大功率电力机车对离心通风机的要求也越来越高。我国机车用离心通风机叶轮绝大部分使用钢板焊接，在实际运用过程中存在重量大、残余不平衡量大的问题，造成离心通风机在实际应用中存在起动扭矩和振动值大的现象，致使电动机故障率居高不下，主要表现为电动机轴承异音、润滑油脂流失等现象，最终导致电动机故障，引起整个离心通风机故障。为解决上述问题，研究发明了一种强度高、重量轻、阻燃的离心通风机用非金属叶轮，可以显著改善上述问题。
2非金属离心叶轮的研发
2.1设计方法概述
目前机车离心通风机的设计采用了参数化建模、模拟计算、优化设计的方法，取代了传统机车离心通风机设计采用的叶栅理论及二维假设方法，该方法以叶轮初步设计外形或基础叶轮外形为基础，进行优化和参数化设计。
2.2非金属离心叶轮的优点
非金属离心叶轮的优点主要从3个方面考虑：材料、结构和热稳定性。（1）材料方面。材料选择主要是从机械强度、阻燃要求和耐磨性来考虑，目前非金属材料的选择是：PA66103HSL，添加阻燃剂和热稳定剂来满足使用要求（简称：非金属材料）。焊接叶轮材料主要选择的是钢板Q235A;与金属材料相比非金属材料具有高强度、低密度和高刚度的优点，可满足应用环境温度为-40～+40℃，阻燃满足EN45545或DIN5510-2阻燃要求。非金属叶轮材料与焊接叶轮材料（Q235A）机械性能对比如表1所列。（2）结构方面。由于加工条件的限制，采用钢板焊接的离心叶轮叶型只能做到简单的直片或弧形，很难达到翼型二阶连续的水平，且存在叶片表面粗糙度过大的现象。而非金属叶轮采用注塑的方式，可以将叶型设计成更加符合流道的翼型结构叶片，可以完全模拟理论外形，有效抑制气流的分离，从而提高离心风机的气动性能，降低气动噪声;且叶片表面光滑，摩擦阻力小，气流能量损失小，风机效率高;叶轮一次成型材料分布均匀，无需动平衡即可满足使用要求。（3）热稳定性方面。将经过不同老化时间的试样进行力学性能测试，得到拉伸强度和冲击强度试验数据，通过比较可以看出添加热稳定剂的材料和未添加热稳定剂的材料在机械性能上有显著差异，在拉伸强度方面，老化时间越长，未添加热稳定剂的材料拉伸强度大致下降到50%左右;添加了热稳定剂的材料，拉伸强度始终处于缓慢下降过程，到老化2000h后，拉伸强度还能保持70%以上，说明在材料中加入热稳定剂，对材料的长期老化性能起至关重要的作用。
通过SEM（电子显微镜）观察老化前、后的拉伸试样断口的微观形貌可以直接观察到经过长时间老化后与基体界面黏结情况。未加热稳定剂的非金属材料在未老化和老化2000h后放大200倍的SEM照片中表示出，未老化的材料中树脂结合紧密，试样所受的拉力能很好地传递;而在老化2000h后，材料拔出长度较长，说明经过长时间老化后，作用力已经变弱，很难形成有效的力传递效果，最终导致力学强度下降。我们在未老化和老化1500h后放大1000倍的SEM照片中同样可以发现以上所述结果。可以看出该非金属材料添加热稳定剂之后，对老化和冲击起到了至关重要的作用，完全可以满足机车对叶轮寿命（15年）的要求。
3 理论计算对比
以某公司生产的电力机车牵引电机通风机为模型，设计了非金属叶轮的离心通风机，经CFD理论计算，非金属叶轮离心风机与原焊接叶轮离心风机的气动性能比较，如表2所列。
通过表2可以看出，采用非金属叶轮的离心风机能有效改善叶片的空气动力学性能，同时减小电动机的负载，提高风机的效率，降低风机噪声。
4非金属叶轮离心风机优势
4.1低噪音、高效率
非金属叶轮可以将叶型设计成更加符合流道的翼型结构叶片，可以完全模拟理论外形，有效抑制气流的分离，从而提高离心风机的起动性能，降低气动噪声;且叶片表面光滑，摩擦阻力小，气流能量损失小，风机效率高。
4.2重量轻、振动值低
因非金属叶轮重量远低于焊接叶轮，且材质均匀，使主轴所受载荷和不平衡力降低、振动更稳定，使输出功率更平滑、稳定且风扇振动值明显降低。
4.3能耗低、故障率低
离心通风机起动扭矩与叶轮的质量和半径有关系，且基本成正比，可以降低驱动电机的能量消耗，改善电机运行负荷，从而减少电机故障，延长使用寿命，同時缩短起动时间、降低起动电流。
5高效、合理地维护离心风机设备
离心式风机的运行维护保养是重要的环节，只有科学合理地对其进行保养，才能保障其使用寿命。离心式风机的维修和保养流程比较简单，但是必须严格按照相关流程和标准执行，避免其存在安全隐患。例如：对风机的运行状态进行检测，使其处于最佳的工作状态;检查风机运行过程中是否存在异味或噪声，同时还要检查设备的磨损情况，保障磨损没有超过标准范围;检查设备运行时的温度，温度过高可能是设备存在超负荷运转的情况;保障设备的紧密度在标准范围之内，避免出现漏风等情况。
结语
综上所述，因为非金属材料质量较轻、强度较好，抗腐蚀良好的特点，合理的应用到机车设计中，一定程度上能够改善离心通风机的气动性能，减少驱动电机负载，降低功率消耗和气动噪声，值得在机车离心通风机技术领域推广使用。
参考文献：
[1]张翔.高比转速离心通风机叶轮与蜗壳匹配性研究[D].西安理工大学，2020.
[2]李林峰，刘兵.离心通风机振动超标的原因分析及解决措施[J].设备管理与维修，2020（08）：162-164.
[3]刘军芳.离心式矿用通风机监控系统性能的优化改进研究[J].机械管理开发，2019，34（11）：140-141+154.
[4]黄新.离心式通风机滚动轴承故障诊断案例分析[J].内燃机与配件，2019（18）：163-165.
[5]李德.煤矿离心式主通风机改造及应用[J].机械管理开发，2019，34（06）：158-160.
[6]冯培军.离心式通风机结构优化研究[J].机械管理开发，2018，33（11）：101-102+167.