軸流式通風(fēng)機(jī)葉片斷裂原理分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李愛生

（山西寧武德盛煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

通風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的核心，其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性直接決定了通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，對煤礦井下的生產(chǎn)安全具有十分重要的意義。由于通風(fēng)機(jī)需要長時間高轉(zhuǎn)速，且工作環(huán)境較為復(fù)雜，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)葉片會出現(xiàn)斷裂情況，給煤礦的通風(fēng)安全帶來了嚴(yán)重的隱患。因此，本文以軸流式通風(fēng)機(jī)為例，利用仿真技術(shù)對其進(jìn)行仿真研究。

1 通風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)有限元分析

由于軸流式通風(fēng)機(jī)的葉輪和電機(jī)軸是直接相連，以懸臂的方式懸于電機(jī)軸上，因此本文在分析時，利用三維建模軟件建立通風(fēng)機(jī)葉輪的三維結(jié)構(gòu)模型，其葉片采用了等圓弧的板翼形葉片結(jié)構(gòu)[1-2]，在對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分是采用了智能網(wǎng)格劃分方案，在葉輪和葉片接觸的位置對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，提高了對該區(qū)域應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置時，根據(jù)通風(fēng)機(jī)葉輪材質(zhì)設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，提高仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，風(fēng)機(jī)工作時的轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 980 r/min，則葉輪在該工況下的應(yīng)力及應(yīng)變分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前葉輪葉片的應(yīng)力與應(yīng)變分布云圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)軸流式通風(fēng)機(jī)的葉輪葉片在高速工作的過程中，作用在葉片上的應(yīng)力呈現(xiàn)出了顯著的不規(guī)則性，在葉片端部的應(yīng)力集中相對較小，一般維持在129 MPa，但在葉片與葉輪結(jié)合的部位其最大應(yīng)力達(dá)到了589 MPa，導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)在該處具有顯著的應(yīng)力集中。在風(fēng)機(jī)工作過程中風(fēng)葉的最小變形出現(xiàn)在葉片的根部，變形量約為0.178 mm，其最大變形量出現(xiàn)在葉片的根部，約為2.266 mm。

由于風(fēng)機(jī)葉輪葉片的材料為Q235[3]，而葉片上的受力維持在129 MPa左右，因此滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，風(fēng)機(jī)在使用過程中出現(xiàn)斷裂的主要原因是由于風(fēng)機(jī)高速工作時不僅需要承受靜應(yīng)力作用，而且在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力學(xué)的作用下會使在葉片和葉輪結(jié)合處產(chǎn)生疲勞破壞，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)葉長期運(yùn)行后的斷裂。

2 葉輪葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果，對葉輪葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將葉片的背面從根部開始到葉片高度為1/3處進(jìn)行加厚處理，根部處的厚度增加3 mm，頂部處的厚度增加1 mm，然后將葉輪的輔板的厚度從原來的13 mm降低到7 mm。

利用三維建模軟件，建立優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，利用仿真分析軟件在相同仿真參數(shù)設(shè)置條件下對優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的工作特性進(jìn)行分選，其優(yōu)化后風(fēng)機(jī)葉片的應(yīng)力及應(yīng)變分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后葉輪葉片的應(yīng)力與應(yīng)變分布云圖

由仿真分析結(jié)果可知，風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化后，作用在葉片上的應(yīng)力呈現(xiàn)出了較為規(guī)則的分布狀態(tài)，在各處的應(yīng)力分布較為均勻，未出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中狀況，應(yīng)力最大值約為197 MPa，比優(yōu)化前降低了66.6%，出現(xiàn)在葉片和葉輪連接的位置。在風(fēng)機(jī)工作過程中風(fēng)葉的最大變形出現(xiàn)在葉片的根部，約為1.457 mm，比優(yōu)化前降低了35.7%。

優(yōu)化前風(fēng)機(jī)葉輪葉片的總質(zhì)量為52.46 kg，優(yōu)化后其質(zhì)量降低為42.18 kg，比優(yōu)化前質(zhì)量降低了約19.6 kg，不僅降低了風(fēng)機(jī)的整體重量，而且節(jié)約了成本。

3 優(yōu)化前后的工作性能對比

為了對優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的工作性能進(jìn)行對比，本文搭建了通風(fēng)機(jī)氣動性能測試試驗(yàn)平臺[4]，分別對兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)工作特性進(jìn)行研究，改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)的全壓效率變化曲線如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)全壓效率變化曲線

由優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的全壓效率變化曲線可知，對風(fēng)葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的全壓效率均優(yōu)于改造前，同時通過利用噪音測量設(shè)備在相同工況下、相同地點(diǎn)的風(fēng)機(jī)工作噪聲進(jìn)行測量，其優(yōu)化后的噪聲比優(yōu)化前降低了約2.29 dB。

4 結(jié)論

1）風(fēng)機(jī)在使用過程中出現(xiàn)斷裂的主要原因在于風(fēng)機(jī)高速工作時不僅需要承受靜應(yīng)力作用，而且在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動力學(xué)的作用下會使在葉片和葉輪結(jié)合處產(chǎn)生疲勞破壞，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)葉長期運(yùn)行后的斷裂。

2）優(yōu)化后應(yīng)力最大值比優(yōu)化前降低了66.6%，風(fēng)葉的最大變形比優(yōu)化前降低了35.7%，重量比優(yōu)化前降低了約19.6%，降低了風(fēng)機(jī)的整體重量，節(jié)約了成本。

3）風(fēng)葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的全壓效率均優(yōu)于改造前，其優(yōu)化后的噪聲比優(yōu)化前降低了約2.29 dB。