矿用通风机叶片的结构强度分析

2019-01-17魏守仁

机械管理开发 2018年12期

魏守仁

（大同煤矿集团华盛万杰煤业有限公司，山西运城 043300）

引言

叶片作为通风机的关键部件，经常会因矿井生产过程中产生的粉尘、颗粒与叶片发生冲击、击打[1]，造成叶片的重心发生偏移、承受载荷增大或出现麻点等现象，致使叶片发生裂纹、断裂，从而引起煤矿事故的发生[2]。因此，为提高通风机叶片的结构强度和使用安全性，有必要开展通风机叶片的结构强度分析。

1 通风机叶片受力分析

本文选用了9-26№14D型离心式通风机作为研究对象，结合工程实际，可将通风机叶片分为圆弧形、直叶形及机翼形等形状。由于圆弧形叶片具有结构简单、计算方便且应用较为普遍等特点，因此，为提高仿真分析精度，对离心式通风机的圆弧形叶片进行受力分析及仿真研究。

由于叶片在旋转过程中，会受到自身离心力而产生的拉力作用，因此，对其工作过程中进行受力分析。由于叶片曲率较大，叶片受力分析过程中需同时考虑切向力和法相切应力引起的弯曲力[3]。叶片产生的离心力如公式（1）：

式中：Rb为叶片圆弧半径，mm；δ为叶片厚度，mm；Rc为叶片质心至叶轮中心距离，mm；b为叶片宽度，mm；2α为叶片圆弧所对的中心角，rad；ω为叶轮旋转角速度，rad/s。

将叶片离心力分解为法向力和切向力，如公式（2）：

根据受力分析，可得出叶片法向力和切向力产生的弯矩，如（3）公式：

同时，可推导出叶片的抗弯截面模数，如公式（4）：

由此，可推算出叶片法线和切线方向的弯曲应力[4]，如公式（5）：

2 通风机叶片模型建立

2.1 叶片三维模型建立

根据9-26№14D型离心式通风机叶片的实际结构参数，采用PROE三维建模软件，建立了通风机叶片的三维模型[5]，其三维示意图如图1所示。

图1 通风机叶片三维模型示意图

2.2 叶片仿真模型建立

2.2.1 单元类型建立

为保证叶片旋转过程中应力、位移变形分析的准确性和仿真精度，将叶片仿真模型中单元类型设置为 SOLID92[6]。

2.2.2 材料选择

结合工程实际，通风机叶片基本采用Q235A普通碳钢材料。因此，为使仿真结果符合工程实际，将叶片仿真模型中材料设置为Q235A，其主要参数如表1所示。

表1 Q235A材料主要性能参数

2.2.3 仿真模型建立

为保证仿真的精确和准确性，将叶片有限元模型网格大小设置为六面体网格。因此，将PROE软件建立的三维模型导入到ANSYS有限元仿真软件中，通过参数定义及前处理，建立了通风机叶片的有限元仿真模型，如图2所示。

图2 通风机叶片有限元仿真模型

3 通风机叶片强度分析

结合前文建立通风机叶片有限元仿真模型，通过有限元仿真分析，开展了叶片应力、刚度的有限元仿真分析。

3.1 叶片的应力仿真结果分析

通风机叶片综合应力变化及沿X、Y、Z方向的应力变化如图3—图6所示，由图分析可知，叶片的应力集中现象主要出现在叶片圆弧端的根部两侧，即靠近轮盘方向，中间出现轻微应力集中现象，但叶片整体应力集中面积较小，叶片整体的最大应力远远小于叶片Q235A材料屈服强度，能满足叶片的结构强度要求。同时，通过对图4—图6分析可知，叶片沿X、Y和Z方向的最大应力主要集中在叶片圆弧端的根部两侧，但存在各个方向的应力分布不均匀现象，其中，叶片根部为最易发生断裂的部位。因此，在后期研究中可对通风机叶片进行结构优化设计，以提高叶片材料的利用率，保证叶片旋转过程中应力的均匀分布。

图3 叶片综合应力变化图

图4 叶片沿X方向应力变化图

图5 叶片沿Y方向应力变化图

图6 叶片沿Z方向应力变化图

3.2 叶片的刚度仿真结果分析

叶片沿X、Y、Z方向的刚性变化如图7—图9所示。由图分析可知，叶片沿X、Y、Z方向均发生较大程度的位移变形，其中，叶片沿X和Z方向的位移变形主要集中在叶片根部的中间位置，且越靠近叶片根部边缘，整体变形量越大；而叶片沿Y方向位移变形相对较分散，主要集中在叶片根部的上下两侧，且下侧的位移变形量大于上部；同时，叶片除根部以外的其他部分也发生了轻微的位移变形。整个叶片结构虽发生结构变形，但基本在材料属性设计范围内，能满足材料的选型要求。

图7 叶片沿X方向的位移变化图

图8 叶片沿Y方向的位移变化图

图9 叶片沿Z方向的位移变化图

综上分析，通风机叶片的强度和刚度均满足材料选型的设计要求，能保证叶片在旋转过程中的工作安全和运行可靠。但整体结构存在应力、位移变形等分布不均匀现象，未能充分发挥叶片材料的设计作用。因此，在后期研究过程中，可针对叶片结构特点进行结构参数、材料参数等方面的优化设计，以提高叶片材料的利用率，保证叶片的结构应力和结构变形分布均匀，提高叶片的使用效率和安全性。