《武汉工程大学学报》 2012年05期
68-72
出版日期：2012-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
防爆抽出式对旋轴流局部通风机叶轮的静力分析
0引言 在现代煤矿生产中，随着开采深度的加大，煤层瓦斯含量增加，综放工作面单产水平的不断提高，使工作面瓦斯绝对涌出量不断增大［1］,压入式局部通风方式已不能完全满足煤矿通风安全的需要，很多情况下需要采用抽出式通风［2-4］，因而对抽出式局部通风机的需求量越来越大，研制大风量、高效、安全、环保、性能可靠的抽出式局部通风机是非常必要的. 矿用抽出式局部通风机叶片承受离心力、流体动力、振动和介质等的综合作用，是通风机的关键部件［5］，如果出现故障，轻则影响正常生产，重则引起瓦斯爆炸事故，造成巨大的人身和财产损失，其安全性能非常重要［6］，为此有必要对叶轮的强度和位移进行有限元分析与计算.本研究以FBDC№9.0/2×30矿用防爆抽出式对旋轴流局部通风机（F——通“风”机，B——防“爆”，D——“对”旋，C——“抽”出式，叶轮直径09 m，2级，单级功率30 kW）叶轮为对象，利用有限元分析软件ANSYS对叶轮的应力和位移进行了计算、分析，并通过试验和现场运行进行了验证.1叶轮的结构 FBDC№90/2×30矿用防爆抽出式对旋轴流局部通风机的叶轮由叶片、毂圈、轴盘、辐板等零件组焊而成，如图1所示.由于钢板冲压叶片叶轮的加工过程绿色特性较好［7］,故叶片材质采用普通热轧低碳钢板，叶型为等厚圆弧板，叶片角度不可调.通风机的第一级叶轮和第二级叶轮直径、轮毂比、转速相同，但两级叶轮的叶片数、安装角、叶片弦长、旋转方向不相同.因第一级叶轮的叶片数较多，重量较大，故分析与计算选用第一级叶轮.2叶轮结构的有限元分析与计算 因组成叶轮的零件材质均为Q235热轧低碳钢，并已组焊成一体，故分析计算过程中将叶轮当作一个材质连续、均匀的整体，并认为其密度、弹性模量和泊松比相同（分别为7 850 kg/m3、206 GPa、03［8］）. 通风机叶轮各部件的应力主要是由离心力所引起［9］，和叶轮的离心力相比，其气动力小得多，对叶轮强度的影响可以忽略［10］，因而作用在叶轮分析模型上的载荷有2个［6，11］： (1) 叶轮旋转引起的惯性载荷角速度：
ω=kπn30=1.2×3.141 6×1 47030=184.6（rad/s）
式中，n为叶轮转速，n=1470 r/min（叶轮直接安装在电动机轴伸上，其转速等于配套电动机转速，配套的YBF2-200L-4型防爆电动机额定转速为1 470 r/min）；k为载荷系数，取k=12. (2) 叶轮本身重量引起的重力加速度惯性载荷，取g=-98 m/s2. 叶片为三维圆弧板扭曲成形，具有形状复杂的曲面，分析计算时选用ANSYS软件中适合此种情形［6，12］的10节点四面体实体单元SOLID92，通过智能自由划分方式［13-14］，对整个叶轮建立网格模型(网格粗细设置为5)，共生成了185 476个单元，332 044个节点，图1为叶轮网格图.图1叶轮网格图
Fig.1Mesh plots of impeller
注：1——叶片，2——毂圈，3——轴盘，4——幅板. 图2至图4分别为求解后所得叶轮的第1~3主应力云图.图2叶轮的第1主应力云图
Fig.21st principal stress of impeller 第5期贺秋冬，等：防爆抽出式对旋轴流局部通风机叶轮的静力分析
武汉工程大学学报第34卷
图3叶轮的第2主应力云图
Fig.32nd principal stress of impeller图4叶轮的第3主应力云图
Fig.43rd principal stress of impeller 图5为求解后所得叶轮的Von Mises应力云图，最大Von Mises应力σMax=836 MPa，位于叶片根部，根部截面为危险截面.其安全系数为：S=σsσmax=23523.6=2.81＞2
式中，σs为材料的屈服强度，σs=235 MPa（按GB/T700-2006 碳素结构钢）. 安全系数大于2，叶轮结构的强度满足要求［15］.图5叶轮的Von Mises应力云图
Fig.5Von mises stress of impeller 图6至图8分别为求解后所得叶轮的X、Y、Z轴位移分量云图.图6叶轮的X轴位移分量云图
Fig.6X\|component of displacement of impeller图7叶轮的Y轴位移分量云图
Fig.7Y\|component of displacement of impeller图8叶轮的Z轴位移分量云图
Fig.8Z\|component of displacement of impeller 图9为求解后所得叶轮的总位移云图，其最大总位移量USUM=0824 mm，位于叶片顶部.为了防止通风机运行时叶片与机壳发生碰擦，标准规定叶轮与机壳之间的最小间隙值（静态时测量）必须大于等于25 mm［16］，该值远大于叶轮的最大总位移量0824 mm，故通风机运转时叶片不会与机壳发生碰擦，叶轮的刚度满足要求.图9叶轮的总位移云图
Fig.9Displacement vectot sum of impeller3性能测试与现场试用3.1空气动力性能试验 为检验叶轮的综合性能，对通风机样机按国家标准——《GB/T 1236-2000 工业通风机用标准化风道进行性能试验》进行了试验，图10为通风机的全压、静压、噪声曲线图，图11为通风机的全压效率、静压效率、轴功率曲线图.其它主要检测数据如表1所示.图10通风机的全压与静压和噪声
Fig.10Total pressure, static pressure and
noise of the fan
注：图11通风机的全压效率与静压效率和轴功率
Fig.11Total pressure efficiency, static pressure
efficiency and shaft power of the fan
注： 从表1可以看出，叶轮运转平稳，无异常声响.通风机整机振动速度小，风量为655~978 m3/min，全压为412~3 443 Pa，静压为118~3 314 Pa，最高静压效率达到7035%，最高全压效率达到7423%，比A声级噪声为176 dB.通风机的各项性能指标均达到或优于标准要求.
表1FBCD№9.0/2×30矿用防爆抽出式对
旋轴流局部通风机性能参数表
Table 1Performance Parameter of FBCD№9.0/2×30
参数技术要求［15］检测结果*机械运转运转平稳，无异常声响运转平稳，无异常声响叶轮间隙 /mm≥2.52.96风量/m3·min-1970～660970～660静压/Pa300～3 100281～3 287静压偏差/%±8-6.3～+6.0最高静压效率/%≥6270.4单台电机最大输出
功率/kW≤3028.07噪声LSA/dB≤2517.6振动速度有效值/mm·s-1≤4.62.2隔流腔压差/Pa＞100328注：*根据国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心检验报告.3.2现场应用 为检验叶轮在通风机运行过程中的稳定性、可靠性，对样机进行了半年的现场试用.试用过程中，通风机运转正常，叶轮未出现任何故障.4结语 a采用等厚圆弧板叶型、普通热轧低碳钢板材质作叶片的对旋轴流叶轮，其强度和刚度满足要求.采用这种叶片的叶轮不仅加工过程的绿色特性较好，而且其空气动力性能可达到较高的水平. b为FBDC№9.0/2×30矿用防爆抽出式对旋轴流局部通风机叶轮的强度和刚度有限元分析所建立的计算模型正确，其有限元分析与计算有效. c叶轮的最大应力部位为叶片的根部，该处为叶片与毂圈的连接部位，必须特别注意该处焊缝的质量，绝不能存在裂纹、气孔、夹渣、咬肉等缺陷. d本文的计算和分析方法对轴流通风机叶轮的设计与进一步研究具有参考意义.