礦用離心通風機葉輪的靜力學分析及優(yōu)化改進方案

姚 剛

（山西世德孫家溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600）

引言

為了順應煤礦發(fā)展，礦用通風機朝著高速化、大型化方向發(fā)展，這對通風機的生產(chǎn)制作提出了更高的要求。葉輪是離心通風機中的重要構(gòu)成部分，在運行過程中受力情況比較復雜，是離心通風機中最容易出現(xiàn)故障問題的部位之一。本文以9-19-10D 型離心通風機為例，對葉輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，顯著提升了其運行可靠性，為煤礦安全奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 離心通風機結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 離心通風機的結(jié)構(gòu)

離心通風機以其顯著的優(yōu)勢在很多領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應用，其中就包括煤礦領(lǐng)域。通風機的作用就是用來傳輸流體。圖1 中，通風機的總體結(jié)構(gòu)主要由鋼板生產(chǎn)制作而成，結(jié)構(gòu)相對比較簡單。通過鉚接或焊接的方式將鋼板進行連接，整個加工過程比較方便。本文的研究對象為通風機的葉輪部分。葉輪由多個結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，主要包括軸盤、前盤、后盤以及葉片。另外，底座和軸承座構(gòu)成了通風機的支撐部分，主軸、聯(lián)軸器、軸承等構(gòu)成了通風機的傳動部分。

圖1 9-19-10D 型離心通風機結(jié)構(gòu)圖

1.2 離心通風機工作原理

離心通風機的工作原理可以概述為：電動機為離心通風機的工作提供動力來源。通過電動機的旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運動，葉輪與轉(zhuǎn)軸進行連接，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)帶動葉輪隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動。由于葉輪葉片的特殊結(jié)構(gòu)，其在旋轉(zhuǎn)過程中會帶動流體。在離心力的作用下流體從出風口位置流出。通風機的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計使得葉輪內(nèi)外形成比較大的壓力差，外部的空氣會源源不斷地流入到通風機內(nèi)部。由此形成一個循環(huán)，使得空氣不斷地從進風口流入、從出風口流出。

2 離心通風機葉輪模型的建立

2.1 幾何建模

通風機葉輪三維幾何模型利用PRO/E 軟件繪制，建模尺寸嚴格按照離心通風機葉輪的實際尺寸執(zhí)行。完成幾何模型建立工作后，將其導出為STL 格式以便后續(xù)將其導入到ANSYS 軟件中進行進一步建模。在建立三維模型時，為加快模型計算速度并提升計算結(jié)果精度作如下簡化：軸盤結(jié)構(gòu)強度較好，在實踐中基本不會出現(xiàn)問題，因此將其省略，不參與計算；螺栓螺孔、焊接圓角等結(jié)構(gòu)會顯著延長計算時間，將其省略；葉輪為薄壁結(jié)構(gòu)，在建立模型時將其建立成面結(jié)構(gòu)，方便網(wǎng)絡(luò)劃分，可以在確保計算精度的同時縮短計算時間。

2.2 有限元建模

將建立好的三維模型導入到ANSYS 軟件中進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的關(guān)鍵所在，網(wǎng)格劃分質(zhì)量會對計算時間和計算結(jié)果都產(chǎn)生決定性的影響。由于在建模時采用的是面結(jié)構(gòu)，所以采用面單元對其進行劃分。主要采用的是四邊形單元，以自由劃分的形式得到5 792 個單元和6 642 個節(jié)點。如下頁圖2-1 所示為離心通風機葉輪的有限元網(wǎng)格模型。

完成網(wǎng)格劃分工作后，需要賦予葉輪材料屬性，Q235 是用來生產(chǎn)葉輪的主要材料。因此，本模型中將Q235 材料屬性輸入到有限元模型中進行計算。材料的彈性模量和泊松比分別為2×1011Pa 和0.3，密度大小為7 850 kg/m3。

葉片和葉輪之間的網(wǎng)格通過約束方程進行連接。由于葉輪工作時是做旋轉(zhuǎn)運動，可以對后盤內(nèi)環(huán)施加全約束來模擬仿真葉輪的真實工作狀態(tài)。葉輪在工作時受到的力主要包括離心力、激振力以及自身重力，但自身重力與其他力相比較相對較小，可忽略不計。最終施加的載荷為繞葉輪中心軸的速度載荷，結(jié)合離心通風機實際工作狀態(tài)，設(shè)置速度載荷為152 rad/s。約束與載荷情況見圖2-2。

圖2 離心通風機葉輪有限元模型

3 離心通風機葉輪靜力學分析結(jié)果

利用ANSYS 軟件建立好離心通風機葉輪有限元模型后，就可以調(diào)用軟件計算模塊對模型進行分析計算，然后提取計算結(jié)果進行分析。以下對葉輪的靜力學分析結(jié)果進行詳細介紹。如圖3 所示為離心通風機葉輪的位移和應力分布情況。從圖中可以看出，葉輪的最大位移量為0.187 mm。根據(jù)相關(guān)實踐經(jīng)驗表明，該位移量是正常的，完全能夠滿足實際使用需要，不會出現(xiàn)故障問題。從應力分布云圖中可以看出，葉輪的最大應力值為105.9 MPa，出現(xiàn)最大應力值的位置為葉片出風口部位。葉片進風口部位、前后盤的最大應力值分別約為70 MPa 和50 MPa。生產(chǎn)葉片的材料是Q235，查閱設(shè)計手冊可知，其允許使用最大應力值為175 MPa?？梢钥闯鋈~輪的最大應力值沒有超過材料允許的最大使用應力值。

圖3 離心通風機葉輪位移和應力分布情況

雖然根據(jù)上述的模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉輪最大應力值沒有超過材料允許的最大使用應力值。但葉片卻存在顯著的應力集中現(xiàn)象，葉片在工作時又不斷地做循環(huán)旋轉(zhuǎn)運動，這會導致葉片出風口部位承受循環(huán)周期集中載荷問題，時間長久后容易發(fā)生疲勞斷裂。另一方面，為了提升計算速度，在建立離心通風機幾何模型時，對焊接圓角部位進行了簡化處理。但實際上這些小的圓角結(jié)構(gòu)會進一步加劇葉片的應力集中現(xiàn)象。也就是說，葉輪在實際工作狀態(tài)下的應力集中現(xiàn)象可能比本文仿真模擬得到的結(jié)果更加嚴重。鑒于葉片應力集中問題可能引發(fā)的嚴重后果，有必要對葉輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，盡可能降低葉輪在工作時的應力集中現(xiàn)象，避免發(fā)生疲勞斷裂問題，提升離心通風機葉輪部分的運行可靠性。

4 離心通風機葉輪的優(yōu)化改進

針對通風機葉輪葉片存在的應力集中現(xiàn)象，優(yōu)化改進思路主要有兩種：第一為直接使用強度更高的材料，這種方案簡單，但會提升結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制作成本；第二種方案就是對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，優(yōu)化葉片的應力分布狀態(tài)。這種改造方案成本相對較低，得到更多企業(yè)的青睞。本研究采用第二種思路，即對葉輪葉片的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化?；谟邢拊治鼋Y(jié)果，并結(jié)合工程實踐情況，對葉片靠近后盤部位實施強化處理，通過加厚的措施提升葉片強度。如圖4 所示為葉片加厚示意圖，其中增加的厚度為3 mm。

圖4 葉輪葉片加厚部位示意圖

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新建立有限元模型進行分析。與原模型相比較，除葉片厚度有所變化外，其他結(jié)構(gòu)以及載荷條件全部相同。下頁圖5 為優(yōu)化后的離心通風機葉輪葉片應力分布云圖。

圖5 優(yōu)化后的葉輪葉片應力分布（MPa）云圖

從圖中的應力分布情況可以看出，葉片的最大應力值為70.87 MPa，出現(xiàn)最大應力的位置與優(yōu)化前的位置基本相同，都位于出風口區(qū)域。與優(yōu)化前相比最大應力值降低了約35 MPa，降低的幅度約為33%，進一步加大了最大應力值與材料允許最大使用應力值之間的差距。進風口部位的最大應力值約為30 MPa，與優(yōu)化前相比降低了約40 MPa?；谝陨戏治鼋Y(jié)果可以看出，優(yōu)化改進后葉片的應力集中現(xiàn)象得到了顯著的優(yōu)化。

5 改進效果

將本文提出的離心通風機葉輪葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案應用到工程實踐中，取得了非常好的應用效果。經(jīng)過將近1 年時間的應用，發(fā)現(xiàn)通風機葉輪葉片沒有出現(xiàn)故障問題，顯著提升了葉片運行可靠性。