煤矿离心通风机叶轮结构性能研究分析_侯伟.pdf
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1、煤矿离心通风机叶轮结构性能研究分析侯伟1,2(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西太原030051;2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室,山西太原030051)摘要:离心通风机是常用的煤矿通风设备,叶轮受到离心力及激振力的作用,对其结构性能具有较高的要求。采用有限元仿真分析的形式建立叶轮的分析模型,对其应力及变形进行模拟计算。结果表明,叶轮产生的最大应力为105.9 MPa,位于叶片的出口位置处,最大应力值小于材料的许用应力 175 MPa;叶轮在径向上产生的最大变形量为0.19 mm,在周向上的最大位移为 0.14 mm,变形量整体较小;叶轮的应力及变形满足使用的强度及刚度需求。关键词
2、:离心通风机叶轮应力变形应力集中中图分类号:TD441文献标识码:A文章编号:1003-773X(2023)02-0050-03引言煤矿地下开采过程中产生大量的有毒有害气体,且井下的密闭环境中存在粉尘积聚的风险,对煤矿的开采及作业人员的安全造成威胁。在矿井开采的组成系统中,通风系统是必备的生产系统,实现对井下新鲜空气的供给1,保证煤矿开采的通风安全。在矿井的通风系统中,离心通风机是主要的风机设备,通过电机的作用将机械能转化为气体的风能,在矿井的通风中被广泛应用。在离心通风机的结构组成中,叶轮是主要的转换结构,在工作过程中受到离心力、气流的激振力等作用2,对叶轮的结构性能具有较高的要求。叶轮的结
3、构复杂性较高,采用仿真模拟的形式对叶轮进行静力学强度及刚度性能的分析,从而保证叶轮使用过程中的可靠性,减少其故障率,提高离心通风机的使用稳定性3,保证煤矿开采的通风安全。1离心通风机叶轮分析模型的建立离心通风机的结构简单,便于生产制造,叶轮是其中主要的结构部分。在离心通风机工作过程中,通过电动机提供动力,经过传动轴的旋转带动叶轮旋转,叶片与空气接触带动流体作用输出蜗壳,由于叶轮气动布局差的作用4,使得输出的气流具有较高的压力,实现矿井的通风。采用有限元分析的方式对叶轮的性能进行分析,通过离散化的方式将叶轮的复杂结构离散化成有限个单元物体5,经过理论计算转化为线性方程组进行求解。Solidwor
4、ks 可将结构、流体及热力学等分析集为一体,在机械、土木等领域具有广泛的应用。对叶轮的结构性能进行分析,采用 Solidworks 自带的建模功能对叶轮进行结构模型的创建6,在建模过程中,对叶轮结构进行一定的简化处理。叶轮的轴盘直径较大且具有较大的厚度,在工作过程中不易发生磨损,对轴盘不再进行建模分析;对叶轮的螺钉孔等进行忽略处理7,采用薄壁结构对叶轮进行建模分析,对叶轮结构中的焊接结构进行一体化建模设置。在 Solidworks中建立后盘结构,在后盘面上建立叶片的映射弧线并进行拉伸,将拉伸曲面向内延伸到叶片的最高点,并进行黏接,采用前盘下表面进行叶片曲面的裁剪,从而得到叶轮的一体化结构模型。
5、由于叶轮结构的复杂性,采用映射网格及自由网格的形式对叶轮进行网格划分处理,对叶轮中叶片形成的三角形区域采用三角形单元进行自由划分,其余区域采用四边形单元进行映射划分8,设定控制网格的大小为 20 mm,经过网格划分处理,得到叶轮的网格模型如图 1 所示。依据叶轮生产制作使用的材质,设定叶轮的材质为 Q235 碳素结构钢,其弹性模量为 200 GPa,泊松比为 0.3,密度为 7 850 kg/m3。在所建立的模型中,需采用约束方程的形式对叶片上的节点与前后盘上的节点建立连接9,从而使模型具有一致的自由度。在模型中,以三个叶片为一组,选择叶片上的所有节点及前盘上靠近边线位置的所有节点,通过命令流
6、CEINTF,0.25,设定缺省的容差值为 0.25,由此即可建立叶片和前盘之间的连接10,依次完成所有叶片与前盘及后盘的连接。由此在模型中对叶轮进行加载,设定叶轮绕中心轴作旋转运动,对叶轮旋转过程中产生的应力及变形进行分析。收稿日期:2022-07-18作者简介:侯伟(1985),男,山西太原人,硕士研究生,毕业于太原理工大学,工程师,研究方向为矿用掘进及运输装备。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2,2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.019图 1
7、叶轮的有限元分析模型试验研究2023 年第 2 期2离心通风机叶轮结构性能的仿真分析采用 Solidworks 建立叶轮的有限元分析模型,对叶轮的应力和变形进行分析,经过计算,得到叶轮的应力变化分布如图 2 所示。在叶轮的结构中,应力是强度的表现,主要查看叶轮的整体等效应力,可以对叶轮的节点应力进行全面的反映。从图 2 中可以看出,叶轮结构中叶片的最大应力为 105.9 MPa,最大应力位于叶片的出口位置处,最大应力值小于材料的许用应力 175 MPa;其他位置中,叶片进口位置的最大应力为 70 MPa,前盘和后盘位置处的最大应力为 50MPa,最大应力位于叶片进出口的连接位置处。经过分析可知
8、,叶轮结构中的最大应力值均小于材料的许用应力,满足使用的需求。同时,在叶轮结构叶片的连接位置处存在着应力集中的现象,不利于叶轮的长期使用11。在实际应用中,可将叶片与前盘后盘连接位置处的叶片进行一定的加厚处理,并保证焊接的质量,焊缝圆滑规整,从而可以减小焊缝位置处的应力,避免产生应力集中12,保证叶轮的长期稳定。叶轮在旋转过程中,在径向及周向上受到载荷作用产生变形,经过计算得到叶轮在径向及周向上的变形位移分别如图 3、图 4 所示。在叶轮的变形分布中,由于受到旋转载荷的作用,变形量的分布呈现循环对称的形式。从图 3 中可以看出,叶轮在径向上的最大位移为 0.19 mm,最大位移位于叶片的内部与
9、轮轴相连接的位置处;从图 4 中可以看出,叶轮在周向上的最大位移为 0.14 mm,同样位于叶片内部与轮轴相连接的位置处。这说明,在叶轮旋转的过程中,通过轮轴连接处带动旋转产生的位移值较大,其余位置主要进行空气介质的压缩及输送,产生的变形量较小。叶轮的最大位移量相对叶轮的整体结构较小,满足系统的刚度使用需求。通过上述的分析可知,叶轮在旋转过程中产生的最大应力为 105.9 MPa,小于材料的许用应力 175MPa,满足系统的强度需求;在径向上产生的最大变形量为 0.19 mm,在周向上的最大位移为 0.14 mm,满足系统的刚度需求。3结语离心通风机是煤矿开采过程中被广泛使用的通风设备,对煤矿
10、井下的通风安全具有重要的保障作用。叶轮作为离心通风机的重要结构,其性能对离心通风机的使用稳定性具有重要的影响。采用有限元模拟计算的形式,建立叶轮结构模型,并对模型进行有限元计算设置,对叶轮的应力及变形位移进行模拟计算。经过计算可知,叶轮产生的最大应力为 105.9MPa,位于叶片的出口位置处,最大应力值小于材料的许用应力 175 MPa,满足系统的强度需求;叶轮在径向上产生的最大变形量为 0.19 mm,在周向上的最大位移为 0.14 mm,变形量整体较小,满足系统的刚度需求。在叶片与前后盘连接的位置处存在一定的应力集中现象,可采用增加叶片厚度、提高焊接质量的方式消除应力集中,进一步提高叶轮结
11、构的性能,保证对煤矿稳定的通风,提高煤矿的安全性。参考文献1何小笛,纪爱敏,彭利平,等.离心通风机内部流场的数值分析J.机电工程,2018,35(6):566-571.2丁可金,罗玉娟,高延军.蜗舌型式对离心通风机气动激励的影响分析J.噪声与振动控制,2019,39(1):216-220.3马寅辉,窦华书.分流叶片弦长与周向分布对无蜗壳离心通风机内部流动影响J.浙江理工大学学报(自然科学版),2019,41(4):466-473.4李轩,王维,卢金玲,等.Y4-73 离心通风机叶轮的高比转速优化设计研究J.流体机械,2020,48(1):7-13.5潘益宁.离心通风机性能优化J.山东农业大学学
12、报(自然科学图 2叶轮结构的应力(MPa)分布云图图 3叶轮的径向位移(mm)分布云图图 4叶轮的周向位移(mm)分布云图1.82924.95548.08171.20694.33213.39236.51859.64382.769105.895-.004 971.037 749.080 47.123 19.165 911.016 389.059 109.101 83.144 55.187 271-.047 738-.006 841.034 056.074 954.115 851-.027 289.013 608.054 505.095 402.136 299侯伟:煤矿离心通风机叶轮结构性能研究分
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