軸流式通風機葉片斷裂原理分析及結構優化研究

李愛生

（山西寧武德盛煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

通風機是煤礦通風系統的核心，其運行穩定性和安全性直接決定了通風系統的運行可靠性，對煤礦井下的生產安全具有十分重要的意義。由于通風機需要長時間高轉速，且工作環境較為復雜，導致通風機葉片會出現斷裂情況，給煤礦的通風安全帶來了嚴重的隱患。因此，本文以軸流式通風機為例，利用仿真技術對其進行仿真研究。

1 通風機葉輪結構有限元分析

由于軸流式通風機的葉輪和電機軸是直接相連，以懸臂的方式懸于電機軸上，因此本文在分析時，利用三維建模軟件建立通風機葉輪的三維結構模型，其葉片采用了等圓弧的板翼形葉片結構[1-2]，在對其進行網格劃分是采用了智能網格劃分方案，在葉輪和葉片接觸的位置對網格進行加密處理，提高了對該區域應力分析的準確性，在進行仿真參數設置時，根據通風機葉輪材質設置對應的參數，提高仿真分析結果的準確性，風機工作時的轉速設置為2 980 r/min，則葉輪在該工況下的應力及應變分析結果如圖1所示。

圖1 優化前葉輪葉片的應力與應變分布云圖

由仿真分析結果可知，當軸流式通風機的葉輪葉片在高速工作的過程中，作用在葉片上的應力呈現出了顯著的不規則性，在葉片端部的應力集中相對較小，一般維持在129 MPa，但在葉片與葉輪結合的部位其最大應力達到了589 MPa，導致了風機在該處具有顯著的應力集中。在風機工作過程中風葉的最小變形出現在葉片的根部，變形量約為0.178 mm，其最大變形量出現在葉片的根部，約為2.266 mm。

由于風機葉輪葉片的材料為Q235[3]，而葉片上的受力維持在129 MPa左右，因此滿足結構強度要求，風機在使用過程中出現斷裂的主要原因是由于風機高速工作時不僅需要承受靜應力作用，而且在高速旋轉產生的動力學的作用下會使在葉片和葉輪結合處產生疲勞破壞，進而導致了風葉長期運行后的斷裂。

2 葉輪葉片的結構優化及仿真分析

根據仿真分析結果，對葉輪葉片結構進行優化，將葉片的背面從根部開始到葉片高度為1/3處進行加厚處理，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，建立優化后的風機的三維結構模型，利用仿真分析軟件在相同仿真參數設置條件下對優化后風機的工作特性進行分選，其優化后風機葉片的應力及應變分析結果如圖2所示。

圖2 優化后葉輪葉片的應力與應變分布云圖

由仿真分析結果可知，風機葉片優化后，作用在葉片上的應力呈現出了較為規則的分布狀態，在各處的應力分布較為均勻，未出現顯著的應力集中狀況，應力最大值約為197 MPa，比優化前降低了66.6%，出現在葉片和葉輪連接的位置。在風機工作過程中風葉的最大變形出現在葉片的根部，約為1.457 mm，比優化前降低了35.7%。

優化前風機葉輪葉片的總質量為52.46 kg，優化后其質量降低為42.18 kg，比優化前質量降低了約19.6 kg，不僅降低了風機的整體重量，而且節約了成本。

3 優化前后的工作性能對比

為了對優化前后風機的工作性能進行對比，本文搭建了通風機氣動性能測試試驗平臺[4]，分別對兩種結構的風機工作特性進行研究，改進前后風機的全壓效率變化曲線如圖3所示。

圖3 優化后風機全壓效率變化曲線

由優化前后風機運行時的全壓效率變化曲線可知，對風葉結構優化后風機在運行過程中的全壓效率均優于改造前，同時通過利用噪音測量設備在相同工況下、相同地點的風機工作噪聲進行測量，其優化后的噪聲比優化前降低了約2.29 dB。

4 結論

1）風機在使用過程中出現斷裂的主要原因在于風機高速工作時不僅需要承受靜應力作用，而且在高速旋轉產生的動力學的作用下會使在葉片和葉輪結合處產生疲勞破壞，進而導致了風葉長期運行后的斷裂。

2）優化后應力最大值比優化前降低了66.6%，風葉的最大變形比優化前降低了35.7%，重量比優化前降低了約19.6%，降低了風機的整體重量，節約了成本。

3）風葉結構優化后風機在運行過程中的全壓效率均優于改造前，其優化后的噪聲比優化前降低了約2.29 dB。