礦用通風(fēng)機(jī)主軸的強(qiáng)度分析與改進(jìn)優(yōu)化研究

許佳慶

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電動(dòng)力部，山西 陽(yáng)泉045000）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為煤炭開(kāi)采過(guò)程中重要的安全保障設(shè)備，在將礦井中的有害氣體排出的同時(shí)，還將礦井外的新鮮空氣輸入到礦井中，以保證井下作業(yè)人員的健康和安全，因此礦用通風(fēng)機(jī)在礦井生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中起著極其重要的作用[1-2]。主軸作為礦用通風(fēng)機(jī)的核心部件，其自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)通風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行影響較大，加之風(fēng)機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，如潮濕、腐蝕氣體侵蝕等，長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作對(duì)風(fēng)機(jī)主軸可靠性要求較高[3-6]。鑒于主軸對(duì)于風(fēng)機(jī)工作的重要性和風(fēng)險(xiǎn)性，本文對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，找出風(fēng)機(jī)主軸的強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，提出主軸改進(jìn)優(yōu)化建議具有重要意義。

1 風(fēng)機(jī)的工作原理及主軸受力分析

礦用離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，主要由底座、蝸殼等結(jié)構(gòu)組成。工作過(guò)程中底座固定在地基表面，主要起著固定和支撐主軸的作用；風(fēng)機(jī)主軸兩端分別用于連接電機(jī)和葉輪組；蝸殼的作用是把葉輪吹出的氣體導(dǎo)向輸送管道中，實(shí)現(xiàn)空氣的交換與流通。在能量傳遞方面，電機(jī)輸出的能量通過(guò)主軸中的鍵配合以扭矩的形式傳遞給葉輪，推動(dòng)葉輪的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)部空氣的流通。

由工作原理可知，風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，主軸除了承受自身重力外，靠近電機(jī)的一端承受電機(jī)輸出的扭矩，扭矩大小由電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，靠近葉輪的一端主要承受葉輪組的重量，同時(shí)主軸兩端還需要承受軸承的支撐約束。

2 主軸的有限元仿真分析

為了更好地觀察風(fēng)機(jī)工作時(shí)主軸的應(yīng)力分布狀態(tài)，確定主軸是否具有足夠的強(qiáng)度，保證其工作的可靠性，以某型號(hào)礦用通風(fēng)機(jī)的主軸為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了三維模型的建立和靜力學(xué)有限元分析，以便確定主軸內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，找出局部應(yīng)力最大的位置，為主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化提供參考。

2.1 三維模型建立

根據(jù)某型號(hào)礦用通風(fēng)機(jī)的主軸工程圖尺寸，運(yùn)用Pro/E5.0三維繪圖軟件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)、拉伸切除和鏡像等實(shí)體操作，實(shí)現(xiàn)了主軸臺(tái)肩、鍵槽等實(shí)體特征的繪制，由于主軸倒角特征在ANSYS軟件中容易發(fā)生識(shí)別困難和網(wǎng)格劃分不均的現(xiàn)象，在建立主軸的三維模型時(shí)對(duì)其倒角進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的主軸模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)主軸三維模型

2.2 有限元模型建立

2.2.1 材料屬性設(shè)置

風(fēng)機(jī)主軸的材料為45號(hào)鋼，其主要屬性參數(shù)見(jiàn)表1。將建立好的主軸三維模型導(dǎo)入ANSYS workbench軟件中，完成主軸材料屬性定義。

表1 材料屬性

2.2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到在仿真過(guò)程中的高計(jì)算精度、低計(jì)算資源占比和主軸的復(fù)雜程度，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中選擇了四面體SOLID92單元，同時(shí)鑒于鍵槽處集中承受傳動(dòng)扭矩，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，所以在網(wǎng)格劃分過(guò)程中對(duì)鍵槽進(jìn)行了局部網(wǎng)格細(xì)化處理。網(wǎng)格劃分后的主軸模型如圖2所示，局部網(wǎng)格細(xì)化后的鍵槽特征如圖3所示。

圖2 主軸模型網(wǎng)格圖

圖3 局部網(wǎng)格細(xì)化后的鍵槽

2.2.3 施加約束和載荷

有限元分析中約束的添加主要是確定部件的邊界條件，合理簡(jiǎn)化邊界條件不僅可以提高仿真計(jì)算的精確度，還可以減少計(jì)算任務(wù)量和縮短計(jì)算時(shí)間。主軸兩端處的軸肩限制了主軸的軸向位移，在此處添加移動(dòng)約束，為了防止在計(jì)算過(guò)程中由于缺少約束導(dǎo)致的主軸整體平移現(xiàn)象，這里添加了軟彈簧約束設(shè)置，可以保證不會(huì)出現(xiàn)主軸平移導(dǎo)致的計(jì)算失敗問(wèn)題，并且軟彈簧約束不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。在靜力學(xué)分析中，需要把主軸工作過(guò)程中所承受的動(dòng)載荷轉(zhuǎn)化為集中靜載荷施加到主軸上，具體受力情況如下：工作過(guò)程中主軸承受自身的重量，均布分布在主軸上；主軸的一端承受葉輪組件產(chǎn)生的重量，經(jīng)計(jì)算其大小為335 N，與重力方向一致施加在主軸與葉輪組接觸的上表面；電機(jī)輸出的扭矩施加到鍵槽側(cè)面，由電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速計(jì)算出扭矩為1 647 N·m，再由力與扭矩的關(guān)系計(jì)算得出鍵槽側(cè)面所施加的壓力。

3 仿真結(jié)果分析

在ANSYS中完成前處理（材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束和載荷添加）后，即可進(jìn)行求解計(jì)算，并通過(guò)軟件強(qiáng)大的后處理功能可以得到我們所關(guān)注的變形、應(yīng)力、應(yīng)變等的云圖分布情況，由主軸的云圖分布可以直觀便捷得地到主軸的內(nèi)部受力情況。風(fēng)機(jī)主軸強(qiáng)度仿真重點(diǎn)關(guān)注的是主軸的強(qiáng)度，因此此處提取主軸的應(yīng)力分布云圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 主軸應(yīng)力（MPa）分布云圖

從圖4中風(fēng)機(jī)主軸的應(yīng)力分布云圖可以得出，主軸上的最大應(yīng)力值為343.33 MPa，與45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa相比較極為接近，同時(shí)風(fēng)機(jī)主軸其他位置的應(yīng)力分布較為均勻，最小應(yīng)力值接近0 MPa。由于風(fēng)機(jī)主軸應(yīng)力集中位置的應(yīng)力值與主軸材料的屈服強(qiáng)度接近，使得主軸工作過(guò)程中遇到過(guò)載或者動(dòng)載荷時(shí)，存在主軸壓潰破壞的風(fēng)險(xiǎn)，不能百分之百保證主軸運(yùn)行的可靠性，給工作面內(nèi)的作業(yè)人員帶來(lái)了安全隱患。由風(fēng)機(jī)主軸的應(yīng)力分布云圖還可以看出主軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在主軸端部的鍵槽擠壓面位置，可以確定該位置是主軸中最容易出現(xiàn)壓潰破壞的位置。

風(fēng)機(jī)主軸端部的鍵槽擠壓面位置出現(xiàn)應(yīng)力最大現(xiàn)象的主要原因是鍵槽端面需要承受主軸所需傳遞的扭矩，需要全部由主軸鍵槽的擠壓端面承載，同時(shí)軸承鍵槽擠壓面的承載面積較小，這就導(dǎo)致主軸鍵槽端面擠壓面的單位面積受力大大提高，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。該種情況下如果鍵槽擠壓面長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)載或者突然承受動(dòng)載時(shí)，極有可能引發(fā)鍵槽擠壓面的壓潰破壞，導(dǎo)致主軸的破壞失效。主軸破壞失效將會(huì)使風(fēng)機(jī)主軸喪失能量傳遞功能，導(dǎo)致風(fēng)扇不能正常工作，不能對(duì)礦井內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)，進(jìn)而提高煤礦內(nèi)部有毒氣體的含量，對(duì)工作人員的生命安全造成威脅，如果礦井內(nèi)部可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定程度時(shí)還存在爆炸的危險(xiǎn)，因此有必要對(duì)風(fēng)機(jī)主軸及鍵槽進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以此提高風(fēng)機(jī)主軸的強(qiáng)度，滿足風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的要求。

4 改進(jìn)建議

通過(guò)對(duì)主軸應(yīng)力分布云圖的分析，得出了主軸上極易出現(xiàn)破壞的位置是鍵槽處，為了提高主軸的整體強(qiáng)度和避免發(fā)生鍵槽壓潰造成的傳動(dòng)失效問(wèn)題，提出加強(qiáng)改進(jìn)建議如下：

1）增加鍵槽與鍵的擠壓面積，具體措施有：增加單個(gè)鍵槽與鍵的擠壓面積；在不改變單個(gè)鍵槽與鍵的擠壓面積的條件下增加鍵槽和鍵的數(shù)量。通過(guò)增加擠壓面積可以減小單位面積上的受力，從而減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2）合理設(shè)計(jì)鍵槽根部的圓角過(guò)度，減少加工生產(chǎn)時(shí)刀痕對(duì)主軸強(qiáng)度的影響，同時(shí)在軸、鍵槽和軸孔的安裝過(guò)程中應(yīng)采取防松措施，來(lái)使主軸傳動(dòng)更加牢固穩(wěn)定，防止主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)動(dòng)載的出現(xiàn)。

3）對(duì)鍵槽處進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，提高鍵槽的抗疲勞能力，具體措施有：表面進(jìn)行高頻淬火、滲碳等熱處理；表面進(jìn)行碾壓、噴丸等強(qiáng)化處理，以此通過(guò)增加表面強(qiáng)度來(lái)增加鍵槽的抗破壞能力。

4）更換強(qiáng)度更好的材料進(jìn)行主軸的加工制造，提高主軸整體的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值，保證主軸工作過(guò)程中能夠承受更大的載荷。

5）提高風(fēng)機(jī)的日常維護(hù)和保養(yǎng)頻次，重點(diǎn)檢查主軸的鍵槽位置的配合情況，當(dāng)主軸與電機(jī)之間存在的旋轉(zhuǎn)間隙較大時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行拆卸檢查，確定主軸是否出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，如果存在壓潰現(xiàn)象，需要完成主軸的更換，進(jìn)而保證主軸的工作可靠性，提高風(fēng)機(jī)的工作穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1）靜力學(xué)強(qiáng)度分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在主軸鍵槽位置，最大應(yīng)力接近45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度，存在使用中壓潰的風(fēng)險(xiǎn)。

2）結(jié)合主軸鍵槽處應(yīng)力集中的可能原因，提出了優(yōu)化改進(jìn)主軸建議，以便提高風(fēng)機(jī)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，延長(zhǎng)礦用風(fēng)機(jī)的使用壽命。