馬路路

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，221011，江蘇徐州）

1 對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)介

對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)（如圖1 所示）作為煤礦“呼吸系統(tǒng)”的中樞，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中對(duì)安全生產(chǎn)有著非常重要的作用。它向礦井輸送新鮮空氣，并排出瓦斯、粉塵等污穢氣體，保證礦井內(nèi)空氣清新。隨著煤礦現(xiàn)代化、一體化發(fā)展的不斷加快，煤礦的井巷越來(lái)越長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓的要求也越來(lái)越高，這進(jìn)一步提高了對(duì)對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，主通風(fēng)機(jī)的葉片經(jīng)常斷裂，這會(huì)嚴(yán)重影響通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，本文基于腹板受力方式，對(duì)對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，旨在為通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠、高效、低噪聲地穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

2 煤礦原通風(fēng)機(jī)概況

本文以某煤礦原來(lái)的一臺(tái)對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，從圖2 可以看出，其包含電動(dòng)機(jī)、支板、葉輪及機(jī)匣等部分。煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)生過(guò)葉片斷裂、裂開(kāi)的碎片擊中機(jī)匣的事故[1]。在更換葉輪后，出現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的風(fēng)量明顯變小、功耗顯著增大、風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍嚴(yán)重受限等嚴(yán)重問(wèn)題，很難滿足煤礦的日常開(kāi)采需求。這不僅使得煤礦的運(yùn)行費(fèi)用明顯提高，更嚴(yán)重的是企業(yè)的經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)活動(dòng)也受到明顯的影響。

圖2 對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)示意圖

在對(duì)通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)，原來(lái)的結(jié)構(gòu)存在如下幾個(gè)問(wèn)題：①葉片角度可控性差。根據(jù)工藝流程，安裝過(guò)程中，葉片的角度只能通過(guò)操作工人的肉眼來(lái)判斷，這樣就導(dǎo)致安裝的精度低。②電機(jī)軸承受壓力過(guò)大。在設(shè)計(jì)研究中發(fā)現(xiàn)，由于直接將質(zhì)量過(guò)大的兩級(jí)葉輪安裝在電機(jī)軸上，致使靠近葉輪一側(cè)的電機(jī)軸承所受的軸向力和徑向力非常大。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)的電機(jī)軸在巨大的壓力之下，易磨損、發(fā)熱，從而對(duì)電機(jī)軸的壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。③運(yùn)行成本高。在原先的設(shè)計(jì)中，直接將通風(fēng)機(jī)的葉片葉柄裝在輪盤的鼓筒相應(yīng)位置。在安裝、維修及更換時(shí)，多次的拆裝極易造成螺紋損壞，使得需要多次更換新葉片，大大提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的成本[2]。④風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片易脫落。在原先設(shè)計(jì)中，葉片和葉柄兩者是分開(kāi)的，采用鉚釘鉚接方式連接，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，曾出現(xiàn)過(guò)葉片脫落的現(xiàn)象，極易出現(xiàn)安全隱患?？偟膩?lái)說(shuō)，原來(lái)風(fēng)機(jī)采用傳統(tǒng)的翼型和葉柵設(shè)計(jì)，很難提高風(fēng)機(jī)的效率、降低葉片的噪聲，且在運(yùn)行中存在很大的安全隱患。

本文在科研和教學(xué)工作的基礎(chǔ)上，綜合考慮煤礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)成本、可靠性及安全性等條件，對(duì)對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，以期能夠解決煤礦現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)存在的效率比較低、安全性能較差、能耗相對(duì)高的嚴(yán)重問(wèn)題，最大限度提高通風(fēng)機(jī)的整體性能，同時(shí)改善現(xiàn)有葉輪部件質(zhì)量大的狀況。

3 通風(fēng)機(jī)葉輪改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)

在對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉輪是通風(fēng)機(jī)中最重要的部件之一。其最主要的功能是將電機(jī)所提供的能量傳遞到流體（空氣）中，葉輪主要是由鑄鋁合金、鋼板或者是其他材料做成的。首先，基于高效率和低噪音的理念，對(duì)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算[3]。在滿足流量和全壓的條件下，將葉片分成若干個(gè)截面，在此基礎(chǔ)上計(jì)算流量系數(shù)：

式中：n 是通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；D 是葉輪的直徑，m；qv是流量，m3/s；vt是葉輪葉頂圓周速度，m/s。

然后，計(jì)算全壓系數(shù)：

式中：ptF.I表示全壓，Pa；ρ 是流體密度，kg/m3。

其次，根據(jù)流量系數(shù)和全壓系數(shù)，確定風(fēng)機(jī)的輪轂比和輪轂直徑，并進(jìn)行輪轂比檢驗(yàn)。

最后，根據(jù)前述計(jì)算進(jìn)行葉片翼形的選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)。

在對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，需要保證結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)不改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)的功率及葉輪尺寸等基本參數(shù)，力求對(duì)對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)其他附屬設(shè)施、設(shè)備的影響降至最小[4]。同時(shí)，根據(jù)煤礦的生產(chǎn)實(shí)際和生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體的參數(shù)見(jiàn)表1。另外，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，特別注重了葉片角度問(wèn)題，使葉片角度的調(diào)節(jié)最方便、最簡(jiǎn)捷，同時(shí)滿足煤礦生產(chǎn)需求，確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)

在本次對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為使風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)符合用戶需求，采用較為先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，并將其中最為成熟的三維葉片造型技術(shù)應(yīng)用于對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)的制造工藝中。氣動(dòng)布局影響風(fēng)機(jī)的特性和性能，在設(shè)計(jì)中對(duì)對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)選擇最為常用的流線曲率算法S2流面通流計(jì)算。

在改造設(shè)計(jì)時(shí)，將軸對(duì)稱定常流作為通流程序假設(shè)氣流，來(lái)逐站進(jìn)行計(jì)算，采用這樣的計(jì)算方式，能夠最大限度體現(xiàn)出端壁區(qū)域的流道所包含的信息，很好地體現(xiàn)了風(fēng)機(jī)流場(chǎng)中的氣動(dòng)布局。由于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的葉輪前后兩個(gè)主體部分之間銜接無(wú)瑕疵，因此，在設(shè)計(jì)改造中，對(duì)風(fēng)機(jī)的流程不作特別大的改動(dòng)，只是選擇平直的流道方式。

3.3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)煤礦中原來(lái)通風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有進(jìn)行大的改動(dòng)和設(shè)計(jì)，但是，綜合考量質(zhì)量、運(yùn)行成本及使用頻次等各方面因素的影響，在本設(shè)計(jì)中對(duì)風(fēng)機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造和設(shè)計(jì)。希望能夠通過(guò)改造，最大限度解決原來(lái)通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，如葉輪的質(zhì)量大、風(fēng)機(jī)可靠性相對(duì)較低、靜葉角調(diào)節(jié)精度比較低等一系列問(wèn)題。這次改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，在解決以上問(wèn)題的同時(shí)，還要保證生產(chǎn)運(yùn)行的工作需求和風(fēng)機(jī)的使用壽命。然而，考慮到成本、工藝、質(zhì)量和使用率等因素，本設(shè)計(jì)僅對(duì)原有的風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了修改。這一改變的目的是為了解決原通風(fēng)機(jī)可靠性低、靜葉角調(diào)節(jié)精度差、葉輪質(zhì)量大等問(wèn)題，同時(shí)，還要滿足工作需求和確保其使用壽命。風(fēng)機(jī)葉輪的主要部分（如圖3 所示）包括葉片、盤、固定支架、卡環(huán)、定位塊、蓋板、擋板、螺釘?shù)取?/p>

圖3 風(fēng)機(jī)葉輪示意圖

首先，對(duì)葉片的安裝方法加以改進(jìn)，在葉片的葉柄處開(kāi)一個(gè)U 形的凹槽，用來(lái)把兩個(gè)半圓形的夾套固定，在此基礎(chǔ)上再用螺釘固定，葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力將會(huì)壓緊卡環(huán)。在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，葉輪在離心力的作用下會(huì)被牢牢鎖定。采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效避免通風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快導(dǎo)致葉片快速飛出砸傷通風(fēng)機(jī)附屬設(shè)備情況的發(fā)生，可以在一定程度上提高通風(fēng)機(jī)整體的安全性，大大提高通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的安全系數(shù)和可靠性。

另外，針對(duì)靜葉角調(diào)節(jié)精度比較低的問(wèn)題，在改造設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，不同錐角定位塊的調(diào)整極限是影響葉片角調(diào)整幅度的最重要因素。在通風(fēng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，在葉柄上設(shè)計(jì)有一個(gè)平面，能夠使得葉片在一定的范圍內(nèi)鎖定。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中所需的氣流要求，通過(guò)調(diào)整錐角的方式來(lái)改變?nèi)~片的傾斜度（通常來(lái)說(shuō)，角調(diào)整的允許誤差為0.5°），在改造設(shè)計(jì)時(shí)，為最大限度提高通風(fēng)機(jī)葉片的調(diào)整精度，對(duì)同一葉片的葉片角用同一的錐角，以期將通風(fēng)機(jī)葉片安裝角誤差控制在最小范圍。

3.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)校核

對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，葉片會(huì)承受兩個(gè)主要的力：旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力和氣流流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力。其中，離心力可能導(dǎo)致葉片斷裂，而壓力則可能使葉片產(chǎn)生彎曲。根據(jù)受力分析可知，葉片的根部是受到離心力最大的部位。因此，葉片根部的拉伸應(yīng)力也最為明顯，具體的計(jì)算方法為：

式中：Fc是葉片根部所受離心力，N；S 是葉片根部最小截面積，m2；σ 是葉片根部的離心拉應(yīng)力，N/m2。

在本次改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于所涉及的葉片為變截面葉片，離心力計(jì)算選用的是離心力算法。這種方法是將葉片視為葉片截面弦長(zhǎng)和厚度從葉根到葉頂近似線性變化。隨著葉片從根部向頂端的延伸，葉片的弦長(zhǎng)和相對(duì)厚度逐漸減小。相對(duì)厚度c可以表示為：

式中：k1是弦長(zhǎng)沿徑向變化的系數(shù)；r 是葉片任意截面所在半徑，m；rh是葉根半徑，m；是半徑r 處的截面的相對(duì)厚度；是葉根截面相對(duì)厚度；k2是相對(duì)厚度沿徑向變化的系數(shù)；x 是葉輪半徑r 處葉片截面離葉根的距離，m.

計(jì)算葉片所受的離心力：

式中：l 是葉片長(zhǎng)度，m。

通過(guò)式（6）的計(jì)算，能夠精確算出葉片根部受到的離心力。根據(jù)已知條件，求出葉片的離心力、截面積及葉片根部的離心拉應(yīng)力。最后，將葉片根部的離心拉應(yīng)力與拉伸極限強(qiáng)度作比較，經(jīng)驗(yàn)證可知葉輪能夠滿足工況需求[5]。

在對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)總體改進(jìn)設(shè)計(jì)以后，對(duì)葉片的強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，并分析了葉片在整體結(jié)構(gòu)中的可靠性，優(yōu)化其葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后葉片情況如表2 所示。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后葉輪情況

同時(shí)，在運(yùn)行時(shí)，葉輪的轉(zhuǎn)速受外界的影響較小。對(duì)于葉輪的材質(zhì)，選用的是高質(zhì)量的鑄鋁，其重量比較輕、耐腐蝕性能好。在葉片的葉柄處開(kāi)U 形槽，在風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片和固定座所產(chǎn)生的離心力會(huì)完全由腹板承受。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大的好處是能夠?qū)L(fēng)機(jī)壁筒的厚度降至最薄，葉輪的重量明顯降低。在其后風(fēng)機(jī)運(yùn)行調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能滿足生產(chǎn)需要，還能減輕整個(gè)葉輪的重量，使得電機(jī)的軸承荷載大幅度減小，降低了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的成本，為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)保障。

3.5 葉輪的檢修

在煤礦風(fēng)機(jī)葉輪改造設(shè)計(jì)中，針對(duì)前期運(yùn)行中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化，葉輪是轉(zhuǎn)子里最易磨損的部件，葉輪如果磨損過(guò)度，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)影響轉(zhuǎn)子的平衡，引起風(fēng)機(jī)劇烈的抖動(dòng)，甚至?xí)斐蓢?yán)重的安全事故。因此，煤礦相關(guān)部門要定期檢修風(fēng)機(jī)，尤其是葉片，葉片的檢修數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 葉片檢修數(shù)據(jù)表

表中：k 為與葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速等因素相關(guān)的系數(shù)，此處取0.01；B 是葉片的不垂直度允差，單位為mm；D 為葉輪的直徑，單位為m；a 為與具體設(shè)計(jì)要求相關(guān)的系數(shù)，單位為mm/m，此處取0.1。

4 通風(fēng)機(jī)性能改進(jìn)優(yōu)化驗(yàn)證

在對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪改造設(shè)計(jì)完成、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試完畢后，對(duì)風(fēng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明，整個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，無(wú)葉片角度偏轉(zhuǎn)、葉片開(kāi)裂及螺栓松動(dòng)等問(wèn)題。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工況，據(jù)有關(guān)部門分析，對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)效率提高了40%左右，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的噪聲僅為90 db，與原風(fēng)機(jī)112 dB 相比相對(duì)較低，風(fēng)機(jī)整體穩(wěn)定性有所改善，更好地滿足了企業(yè)生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)煤礦對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，解決了葉輪質(zhì)量大、風(fēng)機(jī)可靠性相對(duì)低、靜葉角調(diào)節(jié)精度低等問(wèn)題。在葉輪改造中，在葉片的葉柄處開(kāi)U 形槽，對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的離心力被完全吸收，從而使得對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)更加安全可靠。