溫文軍

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 高平 046700）

引言

隨著綜采技術的發(fā)展，煤礦綜采作業(yè)深度不斷加大、井下綜采環(huán)境日趨復雜，因此對煤礦井下通風系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性提出了更高的要求。軸流式通風機作為礦井通風系統(tǒng)最核心的結(jié)構(gòu)，其工作時的通風特性直接關系到了通風系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性[1]。目前多數(shù)軸流式通風機在運行過程中存在著一定程度上的振動、異響、開裂，給礦井通風安全造成了巨大的隱患。根據(jù)分析，主要是由于通風機的機座結(jié)構(gòu)強度不足或者設計不合理導致的。因此多數(shù)軸流式通風機的機座在設計時采用了加大安全系數(shù)的方案，對整體進行加強，以確保使用的安全性。雖然在一定程度上提升了通風機的運行穩(wěn)定性，但導致機座整體重量大、結(jié)構(gòu)分布不合理，高速運行時的應力集中嚴重。因此本文提出利用ANSYS 仿真分析軟件，對通風機機座進行優(yōu)化分析，在確保結(jié)構(gòu)強度的情況下，降低機座整體重量、降低運行時的應力集中、提升運行穩(wěn)定性，根據(jù)實際分析表明優(yōu)化后風機整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低了16.9%，工作時的最大應力集中降低了約為14.1%，有效地提升了通風機的運行穩(wěn)定性和可靠性。

1 通風機機座三維模型建立

本文以200FZY4-D 型軸流式通風機為研究對象，機座包括外筒、內(nèi)筒、法蘭、蓋板等零件，各個零件之間的連接方式均采用了焊接連接結(jié)構(gòu)，利用CREO三維建模軟件[2]，按照1∶1 的比例結(jié)構(gòu)，繪制軸流式通風機的全比例三維結(jié)構(gòu)模型。為了提升數(shù)據(jù)分析的準確性，在對通風機的機座進行網(wǎng)格劃分時，采用了精細化網(wǎng)格劃分的方案，網(wǎng)格的基本尺寸單元選擇為7 mm，劃分完成后整個通風機的機座共有27 3093 個網(wǎng)單元，652 983 個網(wǎng)格節(jié)點，實現(xiàn)了對重點分析區(qū)域的重點分析控制，網(wǎng)格劃分后的通風機機座三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通風機機座三維網(wǎng)格劃分模型

為了確保仿真分析結(jié)果的準確性，根據(jù)軸流式通風機200FZY4-D 型的實際條件，設置其材料為Q235，材料的彈性模量為198 GPa，材料的泊松比為0.25，材料的密度為7 725 kg/m3，機座的整體質(zhì)量為331.84 kg。

2 機座結(jié)構(gòu)強度的仿真分析

由于通風機工作時的機座是通過四個地腳螺栓固定在地面上，對其起穩(wěn)定性作用，因此在進行仿真分析時，在固定地腳螺栓的地方設置軸向向下的載荷，模擬固定時的緊固力[3]。利用ANSYS 仿真分析[4]軟件模擬通風機運行時機座的變形和應力變化情況，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 機座在受力狀態(tài)下的變形（mm）和應力（MPa）分布情況

由仿真分析結(jié)果可知，該機座在運行過程中的最大變形量約為0.21 mm，其最大應力集中約為66.3 MPa，由實際分析結(jié)果可知，機座在工作過程中的最大變形量和最大受力均顯著低于材料的性能極限，說明機座結(jié)構(gòu)存在著嚴重過剩，導致了風機成本和重量的增加，因此需要對機座結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在確保運行安全的情況下降低材料用量和重量。

3 機座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

優(yōu)化時以在確保應力和應變安全的情況下降低機座的結(jié)構(gòu)重量為目標，利用優(yōu)化設計[5]的思想，建立機座結(jié)構(gòu)優(yōu)化的屬性模型[6]。

式中：W（x）為風機機座的質(zhì)量；[x1，x2]為機座內(nèi)筒和外筒的壁厚；[σ]為風機機座的許用應力；[k]為風機機座的許用剛度。

假設風機的外筒壁厚的變化范圍為1.5～1.75 mm，風機內(nèi)筒的壁厚變化范圍為2.625～3 mm，則利用優(yōu)化設計公式即可求出風機機座重量、最大變形量和最大應力集中情況。風機機座外筒壁厚的變化與應力、應變、質(zhì)量的對應關系如圖3 所示。

圖3 風機機座質(zhì)量、變形、應力與外筒壁厚關系

根據(jù)實際分析可知，風機機座的質(zhì)量和外筒壁厚呈正相關關系[7]，風機在受力過程中的最大變形量隨著壁厚的增加逐漸降低，風機運行過程中的最大等效應力隨著風機壁厚的增加而逐漸增大，當壁厚超過1.65 mm 以后，最大等效應力的增加幅度將顯著地降低。由此可知，當外筒壁厚為1.65 mm 的情況下風機機座的質(zhì)量、等效應力和變形能夠達到一個較為穩(wěn)定的平衡點。

由圖4 可知，隨著風機機座內(nèi)壁厚度的增加，變形量會逐漸加大，這主要是由于風機機座內(nèi)壁主要是用于實現(xiàn)和風葉運行間隙的配合，不是用于加強機座結(jié)構(gòu)，因此內(nèi)部越厚，在運行過程中所受的偏心力越大，變形量越大。風機運行時的最大等效應力隨著壁厚的增加逐漸增大，風機機座的質(zhì)量也隨著風機機座內(nèi)壁厚度的增加而增大。由此可知，為了避免風機運行過程中的過大變形，因此需要盡量降低風機內(nèi)筒的壁厚，內(nèi)筒壁厚選擇2.62 mm 時風機機座具有最佳的特性。優(yōu)化后風機整體結(jié)構(gòu)重量降低了16.9%，工作時的最大應力集中降低了約為14.1%，有效地提升了通風機的運行穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 風機機座質(zhì)量、變形、應力與內(nèi)筒壁厚關系

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有通風機機座結(jié)構(gòu)重量大、強度低、影響通風機運行安全的現(xiàn)狀，提出利用ANSYS 仿真分析軟件，對通風機機座進行優(yōu)化分析，在確保結(jié)構(gòu)強度的情況下，降低機座整體重量、降低運行時的應力集中、提升運行穩(wěn)定性，根據(jù)實際分析表明:

1）機座在工作過程中的最大變形量和最大受力均顯著低于材料的性能極限，說明機座結(jié)構(gòu)存在著嚴重的過剩，導致了風機成本和重量的增加；

2）利用ANSYS 仿真分析軟件能夠?qū)︼L機運行時風機的受力和變形情況進行分析，對優(yōu)化風機機座結(jié)構(gòu)、提升運行穩(wěn)定性具有十分重要的意義；

3）優(yōu)化后風機整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低了16.9%，工作時的最大應力集中降低了約14.1%，有效地提升了通風機的運行穩(wěn)定性和可靠性。