防爆抽出式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)葉輪的靜力分析

賀秋冬，李麗君，李 坤

(1.湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院,湖北 孝感 432000；2.湖北工程學(xué)院外國語學(xué)院,湖北 孝感 432000； 3.湖北賽福機(jī)械有限公司,湖北 孝感 432000)

0 引 言

在現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中，隨著開采深度的加大，煤層瓦斯含量增加，綜放工作面單產(chǎn)水平的不斷提高，使工作面瓦斯絕對涌出量不斷增大[1],壓入式局部通風(fēng)方式已不能完全滿足煤礦通風(fēng)安全的需要，很多情況下需要采用抽出式通風(fēng)[2-4]，因而對抽出式局部通風(fēng)機(jī)的需求量越來越大，研制大風(fēng)量、高效、安全、環(huán)保、性能可靠的抽出式局部通風(fēng)機(jī)是非常必要的.

礦用抽出式局部通風(fēng)機(jī)葉片承受離心力、流體動(dòng)力、振動(dòng)和介質(zhì)等的綜合作用，是通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件[5]，如果出現(xiàn)故障，輕則影響正常生產(chǎn)，重則引起瓦斯爆炸事故，造成巨大的人身和財(cái)產(chǎn)損失，其安全性能非常重要[6]，為此有必要對葉輪的強(qiáng)度和位移進(jìn)行有限元分析與計(jì)算.本研究以FBDC№9.0/2×30礦用防爆抽出式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)(F——通“風(fēng)”機(jī)，B——防“爆”，D——“對”旋，C——“抽”出式，葉輪直徑0.9 m，2級，單級功率30 kW)葉輪為對象，利用有限元分析軟件ANSYS對葉輪的應(yīng)力和位移進(jìn)行了計(jì)算、分析，并通過試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 葉輪的結(jié)構(gòu)

FBDC№9.0/2×30礦用防爆抽出式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)的葉輪由葉片、轂圈、軸盤、輻板等零件組焊而成，如圖1所示.由于鋼板沖壓葉片葉輪的加工過程綠色特性較好[7],故葉片材質(zhì)采用普通熱軋低碳鋼板，葉型為等厚圓弧板，葉片角度不可調(diào).通風(fēng)機(jī)的第一級葉輪和第二級葉輪直徑、輪轂比、轉(zhuǎn)速相同，但兩級葉輪的葉片數(shù)、安裝角、葉片弦長、旋轉(zhuǎn)方向不相同.因第一級葉輪的葉片數(shù)較多，重量較大，故分析與計(jì)算選用第一級葉輪.

2 葉輪結(jié)構(gòu)的有限元分析與計(jì)算

因組成葉輪的零件材質(zhì)均為Q235熱軋低碳鋼，并已組焊成一體，故分析計(jì)算過程中將葉輪當(dāng)作一個(gè)材質(zhì)連續(xù)、均勻的整體，并認(rèn)為其密度、彈性模量和泊松比相同(分別為7 850 kg/m3、2.06 GPa、0.3[8]).

通風(fēng)機(jī)葉輪各部件的應(yīng)力主要是由離心力所引起[9]，和葉輪的離心力相比，其氣動(dòng)力小得多，對葉輪強(qiáng)度的影響可以忽略[10]，因而作用在葉輪分析模型上的載荷有2個(gè)[6，11]：

(1) 葉輪旋轉(zhuǎn)引起的慣性載荷角速度：

式中，n為葉輪轉(zhuǎn)速，n=1470 r/min(葉輪直接安裝在電動(dòng)機(jī)軸伸上，其轉(zhuǎn)速等于配套電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，配套的YBF2-200L-4型防爆電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min)；k為載荷系數(shù)，取k=1.2.

(2) 葉輪本身重量引起的重力加速度慣性載荷，取g=-9.8 m/s2.

葉片為三維圓弧板扭曲成形，具有形狀復(fù)雜的曲面，分析計(jì)算時(shí)選用ANSYS軟件中適合此種情形[6，12]的10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元SOLID92，通過智能自由劃分方式[13-14]，對整個(gè)葉輪建立網(wǎng)格模型(網(wǎng)格粗細(xì)設(shè)置為5)，共生成了185 476個(gè)單元，332 044個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖1為葉輪網(wǎng)格圖.

圖1 葉輪網(wǎng)格圖Fig.1 Mesh plots of impeller 注：1——葉片，2——轂圈，3——軸盤，4——幅板.

圖2至圖4分別為求解后所得葉輪的第1～3主應(yīng)力云圖.

圖2 葉輪的第1主應(yīng)力云圖Fig.2 1st principal stress of impeller

圖3 葉輪的第2主應(yīng)力云圖Fig.3 2nd principal stress of impeller

圖4 葉輪的第3主應(yīng)力云圖Fig.4 3rd principal stress of impeller

圖5為求解后所得葉輪的Von Mises應(yīng)力云圖，最大Von Mises應(yīng)力σMax=83.6 MPa，位于葉片根部，根部截面為危險(xiǎn)截面.其安全系數(shù)為：

式中，σs為材料的屈服強(qiáng)度，σs=235 MPa(按GB/T700-2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼).

安全系數(shù)大于2，葉輪結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求[15].

圖5 葉輪的Von Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Von mises stress of impeller

圖6至圖8分別為求解后所得葉輪的X、Y、Z軸位移分量云圖.

圖6 葉輪的X軸位移分量云圖Fig.6 X-component of displacement of impeller

圖7 葉輪的Y軸位移分量云圖Fig.7 Y-component of displacement of impeller

圖8 葉輪的Z軸位移分量云圖Fig.8 Z-component of displacement of impeller

圖9為求解后所得葉輪的總位移云圖，其最大總位移量USUM=0.824 mm，位于葉片頂部.為了防止通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片與機(jī)殼發(fā)生碰擦，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定葉輪與機(jī)殼之間的最小間隙值(靜態(tài)時(shí)測量)必須大于等于2.5 mm[16]，該值遠(yuǎn)大于葉輪的最大總位移量0.824 mm，故通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉片不會與機(jī)殼發(fā)生碰擦，葉輪的剛度滿足要求.

圖9 葉輪的總位移云圖Fig.9 Displacement vectot sum of impeller

3 性能測試與現(xiàn)場試用

3.1 空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)葉輪的綜合性能，對通風(fēng)機(jī)樣機(jī)按國家標(biāo)準(zhǔn)——《GB/T 1236-2000 工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》進(jìn)行了試驗(yàn)，圖10為通風(fēng)機(jī)的全壓、靜壓、噪聲曲線圖，圖11為通風(fēng)機(jī)的全壓效率、靜壓效率、軸功率曲線圖.其它主要檢測數(shù)據(jù)如表1所示.

圖10 通風(fēng)機(jī)的全壓與靜壓和噪聲Fig.10 Total pressure, static pressure and noise of the fan注：

圖11 通風(fēng)機(jī)的全壓效率與靜壓效率和軸功率Fig.11 Total pressure efficiency, static pressure efficiency and shaft power of the fan注：

從表1可以看出，葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無異常聲響.通風(fēng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)速度小，風(fēng)量為655～978 m3/min，全壓為412～3 443 Pa，靜壓為118～3 314 Pa，最高靜壓效率達(dá)到70.35%，最高全壓效率達(dá)到74.23%，比A聲級噪聲為17.6 dB.通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求.

注：*根據(jù)國家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)報(bào)告.

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

為檢驗(yàn)葉輪在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、可靠性，對樣機(jī)進(jìn)行了半年的現(xiàn)場試用.試用過程中，通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，葉輪未出現(xiàn)任何故障.

4 結(jié) 語

a.采用等厚圓弧板葉型、普通熱軋低碳鋼板材質(zhì)作葉片的對旋軸流葉輪，其強(qiáng)度和剛度滿足要求.采用這種葉片的葉輪不僅加工過程的綠色特性較好，而且其空氣動(dòng)力性能可達(dá)到較高的水平.

b.為FBDC№9.0/2×30礦用防爆抽出式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)葉輪的強(qiáng)度和剛度有限元分析所建立的計(jì)算模型正確，其有限元分析與計(jì)算有效.

c.葉輪的最大應(yīng)力部位為葉片的根部，該處為葉片與轂圈的連接部位，必須特別注意該處焊縫的質(zhì)量，絕不能存在裂紋、氣孔、夾渣、咬肉等缺陷.

d.本文的計(jì)算和分析方法對軸流通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)與進(jìn)一步研究具有參考意義.

參考文獻(xiàn):

[1] 劉濤. 綜放工作面割煤高度對瓦斯涌出的影響 [J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(7)：1161-1164.

[2] 由長福，徐旭常. 壓入式與抽吸式通風(fēng)中瓦斯?jié)舛葘Ρ确治鯷J].工程熱物理學(xué)報(bào),2007,28(4):702-704.

[3] 龐浩磊，李曉寧，卓會. FBC礦用防爆軸流抽出式局部通風(fēng)機(jī)的試制[J].電氣防爆，2009(1)：42-44.

[4] 王永申. 水力驅(qū)動(dòng)局部通風(fēng)機(jī)的研制及應(yīng)用[J].水力采煤與管道運(yùn)輸,2004(2):3-6.

[5] 謝志江，劉軍，唐一科，等. 葉輪機(jī)械葉片故障的葉間動(dòng)態(tài)間距診斷法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004, 40(8):96-99.

[6] 賀秋冬，龔曙光，丁濤. 對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析與改進(jìn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(24)：122-127.

[7] 劉德順,劉愛軍,周知進(jìn)，等. 礦用風(fēng)機(jī)葉輪加工過程資源環(huán)境特性綜合分析與評價(jià)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(1)：161-166.

[8] 聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[9] Bhope D V, Padole P M. Experimental and theoretical analysis of stresses, noise and flow in centrifugal fan impeller [J].Mechanism and Machine Theory, 2004, 39(12): 1257-1271.

[10] 蔡兆麟，韓海燕，彭鑫. 旋轉(zhuǎn)葉輪三維應(yīng)力分布及其改善措施[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，31(12)：81-83.

[11] 賀秋冬，李麗君.礦用對旋軸流式主通風(fēng)機(jī)葉輪有限元分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2007，29(1):170-174.

[12] 劉偉，高維成，于廣濱.ANSYS 12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：95-96.

[13] 賀秋冬.礦用對旋軸流式主通風(fēng)機(jī)機(jī)殼有限元分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005(3)：178-182.

[14] 王成剛，王小雨，鄭曉敏，等.基于有限元法活塞桿應(yīng)力集中的研究[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(1)：88-90，95.

[15] 機(jī)械工程師手冊編輯委員會.機(jī)械工程師手冊(第二冊)[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002：128-129.

[16] MT222-2007.煤礦用局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)條件[S].