礦用軸流式通風機機座結構的優化研究

溫文軍

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 高平 046700）

引言

隨著綜采技術的發展，煤礦綜采作業深度不斷加大、井下綜采環境日趨復雜，因此對煤礦井下通風系統的運行穩定性提出了更高的要求。軸流式通風機作為礦井通風系統最核心的結構，其工作時的通風特性直接關系到了通風系統的運行穩定性和可靠性[1]。目前多數軸流式通風機在運行過程中存在著一定程度上的振動、異響、開裂，給礦井通風安全造成了巨大的隱患。根據分析，主要是由于通風機的機座結構強度不足或者設計不合理導致的。因此多數軸流式通風機的機座在設計時采用了加大安全系數的方案，對整體進行加強，以確保使用的安全性。雖然在一定程度上提升了通風機的運行穩定性，但導致機座整體重量大、結構分布不合理，高速運行時的應力集中嚴重。因此本文提出利用ANSYS 仿真分析軟件，對通風機機座進行優化分析，在確保結構強度的情況下，降低機座整體重量、降低運行時的應力集中、提升運行穩定性，根據實際分析表明優化后風機整體結構質量降低了16.9%，工作時的最大應力集中降低了約為14.1%，有效地提升了通風機的運行穩定性和可靠性。

1 通風機機座三維模型建立

本文以200FZY4-D 型軸流式通風機為研究對象，機座包括外筒、內筒、法蘭、蓋板等零件，各個零件之間的連接方式均采用了焊接連接結構，利用CREO三維建模軟件[2]，按照1∶1 的比例結構，繪制軸流式通風機的全比例三維結構模型。為了提升數據分析的準確性，在對通風機的機座進行網格劃分時，采用了精細化網格劃分的方案，網格的基本尺寸單元選擇為7 mm，劃分完成后整個通風機的機座共有27 3093 個網單元，652 983 個網格節點，實現了對重點分析區域的重點分析控制，網格劃分后的通風機機座三維結構如圖1 所示。

圖1 通風機機座三維網格劃分模型

為了確保仿真分析結果的準確性，根據軸流式通風機200FZY4-D 型的實際條件，設置其材料為Q235，材料的彈性模量為198 GPa，材料的泊松比為0.25，材料的密度為7 725 kg/m3，機座的整體質量為331.84 kg。

2 機座結構強度的仿真分析

由于通風機工作時的機座是通過四個地腳螺栓固定在地面上，對其起穩定性作用，因此在進行仿真分析時，在固定地腳螺栓的地方設置軸向向下的載荷，模擬固定時的緊固力[3]。利用ANSYS 仿真分析[4]軟件模擬通風機運行時機座的變形和應力變化情況，結果如圖2 所示。

圖2 機座在受力狀態下的變形（mm）和應力（MPa）分布情況

由仿真分析結果可知，該機座在運行過程中的最大變形量約為0.21 mm，其最大應力集中約為66.3 MPa，由實際分析結果可知，機座在工作過程中的最大變形量和最大受力均顯著低于材料的性能極限，說明機座結構存在著嚴重過剩，導致了風機成本和重量的增加，因此需要對機座結構進行優化，在確保運行安全的情況下降低材料用量和重量。

3 機座結構優化方案

優化時以在確保應力和應變安全的情況下降低機座的結構重量為目標，利用優化設計[5]的思想，建立機座結構優化的屬性模型[6]。

式中：W（x）為風機機座的質量；[x1，x2]為機座內筒和外筒的壁厚；[σ]為風機機座的許用應力；[k]為風機機座的許用剛度。

假設風機的外筒壁厚的變化范圍為1.5～1.75 mm，風機內筒的壁厚變化范圍為2.625～3 mm，則利用優化設計公式即可求出風機機座重量、最大變形量和最大應力集中情況。風機機座外筒壁厚的變化與應力、應變、質量的對應關系如圖3 所示。

圖3 風機機座質量、變形、應力與外筒壁厚關系

根據實際分析可知，風機機座的質量和外筒壁厚呈正相關關系[7]，風機在受力過程中的最大變形量隨著壁厚的增加逐漸降低，風機運行過程中的最大等效應力隨著風機壁厚的增加而逐漸增大，當壁厚超過1.65 mm 以后，最大等效應力的增加幅度將顯著地降低。由此可知，當外筒壁厚為1.65 mm 的情況下風機機座的質量、等效應力和變形能夠達到一個較為穩定的平衡點。

由圖4 可知，隨著風機機座內壁厚度的增加，變形量會逐漸加大，這主要是由于風機機座內壁主要是用于實現和風葉運行間隙的配合，不是用于加強機座結構，因此內部越厚，在運行過程中所受的偏心力越大，變形量越大。風機運行時的最大等效應力隨著壁厚的增加逐漸增大，風機機座的質量也隨著風機機座內壁厚度的增加而增大。由此可知，為了避免風機運行過程中的過大變形，因此需要盡量降低風機內筒的壁厚，內筒壁厚選擇2.62 mm 時風機機座具有最佳的特性。優化后風機整體結構重量降低了16.9%，工作時的最大應力集中降低了約為14.1%，有效地提升了通風機的運行穩定性和可靠性。

圖4 風機機座質量、變形、應力與內筒壁厚關系

4 結論

針對現有通風機機座結構重量大、強度低、影響通風機運行安全的現狀，提出利用ANSYS 仿真分析軟件，對通風機機座進行優化分析，在確保結構強度的情況下，降低機座整體重量、降低運行時的應力集中、提升運行穩定性，根據實際分析表明:

1）機座在工作過程中的最大變形量和最大受力均顯著低于材料的性能極限，說明機座結構存在著嚴重的過剩，導致了風機成本和重量的增加；

2）利用ANSYS 仿真分析軟件能夠對風機運行時風機的受力和變形情況進行分析，對優化風機機座結構、提升運行穩定性具有十分重要的意義；

3）優化后風機整體結構質量降低了16.9%，工作時的最大應力集中降低了約14.1%，有效地提升了通風機的運行穩定性和可靠性。