礦用通風機葉片的結(jié)構(gòu)強度分析

魏守仁

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 運城 043300）

引言

葉片作為通風機的關鍵部件，經(jīng)常會因礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵、顆粒與葉片發(fā)生沖擊、擊打[1]，造成葉片的重心發(fā)生偏移、承受載荷增大或出現(xiàn)麻點等現(xiàn)象，致使葉片發(fā)生裂紋、斷裂，從而引起煤礦事故的發(fā)生[2]。因此，為提高通風機葉片的結(jié)構(gòu)強度和使用安全性，有必要開展通風機葉片的結(jié)構(gòu)強度分析。

1 通風機葉片受力分析

本文選用了9-26№14D型離心式通風機作為研究對象，結(jié)合工程實際，可將通風機葉片分為圓弧形、直葉形及機翼形等形狀。由于圓弧形葉片具有結(jié)構(gòu)簡單、計算方便且應用較為普遍等特點，因此，為提高仿真分析精度，對離心式通風機的圓弧形葉片進行受力分析及仿真研究。

由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，會受到自身離心力而產(chǎn)生的拉力作用，因此，對其工作過程中進行受力分析。由于葉片曲率較大，葉片受力分析過程中需同時考慮切向力和法相切應力引起的彎曲力[3]。葉片產(chǎn)生的離心力如公式（1）：

式中：Rb為葉片圓弧半徑，mm；δ為葉片厚度，mm；Rc為葉片質(zhì)心至葉輪中心距離，mm；b為葉片寬度，mm；2α為葉片圓弧所對的中心角，rad；ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

將葉片離心力分解為法向力和切向力，如公式（2）：

根據(jù)受力分析，可得出葉片法向力和切向力產(chǎn)生的彎矩，如（3）公式：

同時，可推導出葉片的抗彎截面模數(shù)，如公式（4）：

由此，可推算出葉片法線和切線方向的彎曲應力[4]，如公式（5）：

2 通風機葉片模型建立

2.1 葉片三維模型建立

根據(jù)9-26№14D型離心式通風機葉片的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用PROE三維建模軟件，建立了通風機葉片的三維模型[5]，其三維示意圖如圖1所示。

圖1 通風機葉片三維模型示意圖

2.2 葉片仿真模型建立

2.2.1 單元類型建立

為保證葉片旋轉(zhuǎn)過程中應力、位移變形分析的準確性和仿真精度，將葉片仿真模型中單元類型設置為 SOLID92[6]。

2.2.2 材料選擇

結(jié)合工程實際，通風機葉片基本采用Q235A普通碳鋼材料。因此，為使仿真結(jié)果符合工程實際，將葉片仿真模型中材料設置為Q235A，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 Q235A材料主要性能參數(shù)

2.2.3 仿真模型建立

為保證仿真的精確和準確性，將葉片有限元模型網(wǎng)格大小設置為六面體網(wǎng)格。因此，將PROE軟件建立的三維模型導入到ANSYS有限元仿真軟件中，通過參數(shù)定義及前處理，建立了通風機葉片的有限元仿真模型，如圖2所示。

圖2 通風機葉片有限元仿真模型

3 通風機葉片強度分析

結(jié)合前文建立通風機葉片有限元仿真模型，通過有限元仿真分析，開展了葉片應力、剛度的有限元仿真分析。

3.1 葉片的應力仿真結(jié)果分析

通風機葉片綜合應力變化及沿X、Y、Z方向的應力變化如圖3—圖6所示，由圖分析可知，葉片的應力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在葉片圓弧端的根部兩側(cè)，即靠近輪盤方向，中間出現(xiàn)輕微應力集中現(xiàn)象，但葉片整體應力集中面積較小，葉片整體的最大應力遠遠小于葉片Q235A材料屈服強度，能滿足葉片的結(jié)構(gòu)強度要求。同時，通過對圖4—圖6分析可知，葉片沿X、Y和Z方向的最大應力主要集中在葉片圓弧端的根部兩側(cè)，但存在各個方向的應力分布不均勻現(xiàn)象，其中，葉片根部為最易發(fā)生斷裂的部位。因此，在后期研究中可對通風機葉片進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，以提高葉片材料的利用率，保證葉片旋轉(zhuǎn)過程中應力的均勻分布。

圖3 葉片綜合應力變化圖

圖4 葉片沿X方向應力變化圖

圖5 葉片沿Y方向應力變化圖

圖6 葉片沿Z方向應力變化圖

3.2 葉片的剛度仿真結(jié)果分析

葉片沿X、Y、Z方向的剛性變化如圖7—圖9所示。由圖分析可知，葉片沿X、Y、Z方向均發(fā)生較大程度的位移變形，其中，葉片沿X和Z方向的位移變形主要集中在葉片根部的中間位置，且越靠近葉片根部邊緣，整體變形量越大；而葉片沿Y方向位移變形相對較分散，主要集中在葉片根部的上下兩側(cè)，且下側(cè)的位移變形量大于上部；同時，葉片除根部以外的其他部分也發(fā)生了輕微的位移變形。整個葉片結(jié)構(gòu)雖發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，但基本在材料屬性設計范圍內(nèi)，能滿足材料的選型要求。

圖7 葉片沿X方向的位移變化圖

圖8 葉片沿Y方向的位移變化圖

圖9 葉片沿Z方向的位移變化圖

綜上分析，通風機葉片的強度和剛度均滿足材料選型的設計要求，能保證葉片在旋轉(zhuǎn)過程中的工作安全和運行可靠。但整體結(jié)構(gòu)存在應力、位移變形等分布不均勻現(xiàn)象，未能充分發(fā)揮葉片材料的設計作用。因此，在后期研究過程中，可針對葉片結(jié)構(gòu)特點進行結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等方面的優(yōu)化設計，以提高葉片材料的利用率，保證葉片的結(jié)構(gòu)應力和結(jié)構(gòu)變形分布均勻，提高葉片的使用效率和安全性。

4 結(jié)語

9-26№14D型離心式通風機雖然其葉片的結(jié)構(gòu)強度和剛度均能滿足使用要求，但存在葉片整體結(jié)構(gòu)應力及位移變形分布不均勻現(xiàn)象，不能充分發(fā)揮葉片的設計作用，在后期研究過程中，可針對葉片結(jié)構(gòu)特點進行結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等方面的優(yōu)化設計，以提高葉片材料的利用率，保證葉片的結(jié)構(gòu)應力和結(jié)構(gòu)變形分布均勻。