煤矿离心通风机叶轮结构性能研究分析_侯伟.pdf

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：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。Solidworks 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。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，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析51机械管理开发第 38 卷版），2018，49（4）：615-618.6王本义，安然，易铁航.无蜗壳后向离心通风机在动车组冷却单元上的应用J.铁道机车与动车，2019（9）：9-12；27；6.7陈明宇，邓海峰，赵相寒，等.离心通风机径向调节门不同开度的模拟与分析J.风机技术，2019，61（S1）：19-25.8宁可，张祥儒，关荣鑫，等.9-26.5A 型高压离心通风机的 CFD 仿真和优化研究J.机械设计，2018，35（S1）：155-158.9邢炜，张永生，魏子海，等.基于 UG 的离心通风机机翼型叶片展开与 CAXA的跨平台应用J.风机技术，2021，63（S1）：45-48.10李林峰，刘兵.离心通风机振动超标的原因分析及解决措施J.设备管理与维修，2020（8）：162-164.11张晓蓉，李汉雨，赵双，等.双级离心通风机设计与分析J.风机技术，2020，62（3）：22-28.12王佳君，王政道，杨徽，等.倾斜蜗舌对多翼离心通风机内部非定常流动及噪声特性的影响J.浙江理工大学学报（自然科学版），2022，47（3）：371-381.（编辑：王慧芳）Research and Analysis on the Structural Performance of Impeller of Coal Mine CentrifugalVentilatorHou Wei1,2（1.China Coal Technology&Industry Group Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030051;2.National Engineering Laboratory of Coal Mining Machinery and Equipment,Taiyuan Shanxi030051）Abstract:Centrifugal ventilators are commonly used as coal mine ventilation equipment,and the impeller is subjected to centrifugal forceand excitation force,which has high requirements on its structural performance.The analytical model of the impeller is established in theform of finite element simulation analysis,and its stress and deformation are simulated and calculated.The results show that the maximumstress generated by the impeller is 105.9 MPa,which is located at the exit position of the blade,and the maximum stress value is less thanthe permissible material stress of 175 MPa.Key words:centrifuga