姚 剛

（山西世德孫家溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600）

引言

為了順應(yīng)煤礦發(fā)展，礦用通風(fēng)機(jī)朝著高速化、大型化方向發(fā)展，這對(duì)通風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)制作提出了更高的要求。葉輪是離心通風(fēng)機(jī)中的重要構(gòu)成部分，在運(yùn)行過(guò)程中受力情況比較復(fù)雜，是離心通風(fēng)機(jī)中最容易出現(xiàn)故障問(wèn)題的部位之一。本文以9-19-10D 型離心通風(fēng)機(jī)為例，對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，顯著提升了其運(yùn)行可靠性，為煤礦安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 離心通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

離心通風(fēng)機(jī)以其顯著的優(yōu)勢(shì)在很多領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用，其中就包括煤礦領(lǐng)域。通風(fēng)機(jī)的作用就是用來(lái)傳輸流體。圖1 中，通風(fēng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)主要由鋼板生產(chǎn)制作而成，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。通過(guò)鉚接或焊接的方式將鋼板進(jìn)行連接，整個(gè)加工過(guò)程比較方便。本文的研究對(duì)象為通風(fēng)機(jī)的葉輪部分。葉輪由多個(gè)結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，主要包括軸盤、前盤、后盤以及葉片。另外，底座和軸承座構(gòu)成了通風(fēng)機(jī)的支撐部分，主軸、聯(lián)軸器、軸承等構(gòu)成了通風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)部分。

圖1 9-19-10D 型離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 離心通風(fēng)機(jī)工作原理

離心通風(fēng)機(jī)的工作原理可以概述為：電動(dòng)機(jī)為離心通風(fēng)機(jī)的工作提供動(dòng)力來(lái)源。通過(guò)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，葉輪與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)葉輪隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。由于葉輪葉片的特殊結(jié)構(gòu)，其在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)流體。在離心力的作用下流體從出風(fēng)口位置流出。通風(fēng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得葉輪內(nèi)外形成比較大的壓力差，外部的空氣會(huì)源源不斷地流入到通風(fēng)機(jī)內(nèi)部。由此形成一個(gè)循環(huán)，使得空氣不斷地從進(jìn)風(fēng)口流入、從出風(fēng)口流出。

2 離心通風(fēng)機(jī)葉輪模型的建立

2.1 幾何建模

通風(fēng)機(jī)葉輪三維幾何模型利用PRO/E 軟件繪制，建模尺寸嚴(yán)格按照離心通風(fēng)機(jī)葉輪的實(shí)際尺寸執(zhí)行。完成幾何模型建立工作后，將其導(dǎo)出為STL 格式以便后續(xù)將其導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行進(jìn)一步建模。在建立三維模型時(shí)，為加快模型計(jì)算速度并提升計(jì)算結(jié)果精度作如下簡(jiǎn)化：軸盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，在實(shí)踐中基本不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因此將其省略，不參與計(jì)算；螺栓螺孔、焊接圓角等結(jié)構(gòu)會(huì)顯著延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，將其省略；葉輪為薄壁結(jié)構(gòu)，在建立模型時(shí)將其建立成面結(jié)構(gòu)，方便網(wǎng)絡(luò)劃分，可以在確保計(jì)算精度的同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間。

2.2 有限元建模

將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的關(guān)鍵所在，網(wǎng)格劃分質(zhì)量會(huì)對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果都產(chǎn)生決定性的影響。由于在建模時(shí)采用的是面結(jié)構(gòu)，所以采用面單元對(duì)其進(jìn)行劃分。主要采用的是四邊形單元，以自由劃分的形式得到5 792 個(gè)單元和6 642 個(gè)節(jié)點(diǎn)。如下頁(yè)圖2-1 所示為離心通風(fēng)機(jī)葉輪的有限元網(wǎng)格模型。

完成網(wǎng)格劃分工作后，需要賦予葉輪材料屬性，Q235 是用來(lái)生產(chǎn)葉輪的主要材料。因此，本模型中將Q235 材料屬性輸入到有限元模型中進(jìn)行計(jì)算。材料的彈性模量和泊松比分別為2×1011Pa 和0.3，密度大小為7 850 kg/m3。

葉片和葉輪之間的網(wǎng)格通過(guò)約束方程進(jìn)行連接。由于葉輪工作時(shí)是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)后盤內(nèi)環(huán)施加全約束來(lái)模擬仿真葉輪的真實(shí)工作狀態(tài)。葉輪在工作時(shí)受到的力主要包括離心力、激振力以及自身重力，但自身重力與其他力相比較相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。最終施加的載荷為繞葉輪中心軸的速度載荷，結(jié)合離心通風(fēng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，設(shè)置速度載荷為152 rad/s。約束與載荷情況見圖2-2。

圖2 離心通風(fēng)機(jī)葉輪有限元模型

3 離心通風(fēng)機(jī)葉輪靜力學(xué)分析結(jié)果

利用ANSYS 軟件建立好離心通風(fēng)機(jī)葉輪有限元模型后，就可以調(diào)用軟件計(jì)算模塊對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算，然后提取計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。以下對(duì)葉輪的靜力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)介紹。如圖3 所示為離心通風(fēng)機(jī)葉輪的位移和應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，葉輪的最大位移量為0.187 mm。根據(jù)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該位移量是正常的，完全能夠滿足實(shí)際使用需要，不會(huì)出現(xiàn)故障問(wèn)題。從應(yīng)力分布云圖中可以看出，葉輪的最大應(yīng)力值為105.9 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力值的位置為葉片出風(fēng)口部位。葉片進(jìn)風(fēng)口部位、前后盤的最大應(yīng)力值分別約為70 MPa 和50 MPa。生產(chǎn)葉片的材料是Q235，查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，其允許使用最大應(yīng)力值為175 MPa?？梢钥闯鋈~輪的最大應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料允許的最大使用應(yīng)力值。

圖3 離心通風(fēng)機(jī)葉輪位移和應(yīng)力分布情況

雖然根據(jù)上述的模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉輪最大應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料允許的最大使用應(yīng)力值。但葉片卻存在顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，葉片在工作時(shí)又不斷地做循環(huán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致葉片出風(fēng)口部位承受循環(huán)周期集中載荷問(wèn)題，時(shí)間長(zhǎng)久后容易發(fā)生疲勞斷裂。另一方面，為了提升計(jì)算速度，在建立離心通風(fēng)機(jī)幾何模型時(shí)，對(duì)焊接圓角部位進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。但實(shí)際上這些小的圓角結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步加劇葉片的應(yīng)力集中現(xiàn)象。也就是說(shuō)，葉輪在實(shí)際工作狀態(tài)下的應(yīng)力集中現(xiàn)象可能比本文仿真模擬得到的結(jié)果更加嚴(yán)重。鑒于葉片應(yīng)力集中問(wèn)題可能引發(fā)的嚴(yán)重后果，有必要對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，盡可能降低葉輪在工作時(shí)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免發(fā)生疲勞斷裂問(wèn)題，提升離心通風(fēng)機(jī)葉輪部分的運(yùn)行可靠性。

4 離心通風(fēng)機(jī)葉輪的優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)通風(fēng)機(jī)葉輪葉片存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象，優(yōu)化改進(jìn)思路主要有兩種：第一為直接使用強(qiáng)度更高的材料，這種方案簡(jiǎn)單，但會(huì)提升結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制作成本；第二種方案就是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化葉片的應(yīng)力分布狀態(tài)。這種改造方案成本相對(duì)較低，得到更多企業(yè)的青睞。本研究采用第二種思路，即對(duì)葉輪葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。基于有限元分析結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)踐情況，對(duì)葉片靠近后盤部位實(shí)施強(qiáng)化處理，通過(guò)加厚的措施提升葉片強(qiáng)度。如圖4 所示為葉片加厚示意圖，其中增加的厚度為3 mm。

圖4 葉輪葉片加厚部位示意圖

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新建立有限元模型進(jìn)行分析。與原模型相比較，除葉片厚度有所變化外，其他結(jié)構(gòu)以及載荷條件全部相同。下頁(yè)圖5 為優(yōu)化后的離心通風(fēng)機(jī)葉輪葉片應(yīng)力分布云圖。

圖5 優(yōu)化后的葉輪葉片應(yīng)力分布（MPa）云圖

從圖中的應(yīng)力分布情況可以看出，葉片的最大應(yīng)力值為70.87 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置與優(yōu)化前的位置基本相同，都位于出風(fēng)口區(qū)域。與優(yōu)化前相比最大應(yīng)力值降低了約35 MPa，降低的幅度約為33%，進(jìn)一步加大了最大應(yīng)力值與材料允許最大使用應(yīng)力值之間的差距。進(jìn)風(fēng)口部位的最大應(yīng)力值約為30 MPa，與優(yōu)化前相比降低了約40 MPa。基于以上分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后葉片的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了顯著的優(yōu)化。

5 改進(jìn)效果

將本文提出的離心通風(fēng)機(jī)葉輪葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了非常好的應(yīng)用效果。經(jīng)過(guò)將近1 年時(shí)間的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)葉輪葉片沒(méi)有出現(xiàn)故障問(wèn)題，顯著提升了葉片運(yùn)行可靠性。