矿用离心通风机叶轮组静力学与模态分析.pdf

200/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言矿用离心通风机实际工作环境较为恶劣，具体应用中极易引发故障情况。常见离心通风机故障主要集中在叶轮、传动端系统以及机壳部分。为能够深入分析叶轮综合性能以及可能导致叶轮的故障因素，将对叶轮组进行静力学分析和模态分析，以期能够为矿用离心通风机叶轮组结构设计及优化提供理论参考。1 矿用离心通风机结构形式矿用离心通风机整体结构形势较为简单，主要由叶轮、蜗壳、进/出气部件、主轴、底座等部分共同组成。叶轮主要采用原动机驱动，其可以将原动机的机械能转化为气体压强，进而促使气体压力持续提升，带动气体流动；蜗壳主要用于收集叶轮所带动气流，并引导气流从蜗壳出口流入到输送管道或者周边环境中；进/出其部件主要指设置在离心通风机进/出气口位置，辅助气体流通的各类零部件，主要包括集流器、进气箱、前导器、扩散器等；主轴主要作为原动机与风轮之间的能量传递装置；底座主要用于固定传动轴，并为整个离心通风机提供支撑作用1-2。2 矿用离心通风机叶轮组模型构建矿用离心通风机叶轮组的三维立体模型构建主要采用Pro/E 软件进行，并对其中性能影响较小或者不关键的结构、倒角进行适当省略。在完成各零部件三维立体模型构建以后，还需要对零部件模型进行虚拟装配以及网格划分3。其中虚拟装配在 Pro/E 软件中进行，在完成装配后，将模型导入到 ANSYS 软件中，通过软件中 solid92单元将整个叶轮组划分为 137194 个单元和 45605 个节点，进而获取到图 1 中的矿用离心通风机叶轮组模型。在模型构建中还需要为叶轮组设置约束、角速度以及材料特性。其中，约束会设置在叶轮组轴面中心沿周向和轴向；角速度则是设置在叶轮各质点上，实际角速度值确定为 24.2r/s；材料特性主要包括弹性模块、泊松比、材料密度以及屈服强度，分别设定为 2.1e11Pa、0.3、7900kg/m3、235MPa。3 矿用离心通风机叶轮组静力学与模态分析3.1 矿用离心通风机叶轮组静力学分析3.1.1 叶轮组应力分析如图 2 所示，最大应力值集中在矿用离心通风机叶轮组中心位置，但矿用离心通风机叶轮组的节点应力值相对较小。而仿真模拟中所采用的材料屈服强度为235MPa，小于材料的屈服强度，因此，可以保障离心通风机叶轮组的正常运行。不过由于阔叶离心通风机叶轮组的最大应力主要集中在叶轮组中心区域，所以在叶轮组结构设计及优化中必须要对其进行着重考虑。3.1.2 叶轮组位移分析如图 3 所示，矿用离心通风机的各方向上的位移值均相对较小，位移值为 0.1977mm。总体来说，矿用离心通风机叶轮组的整体强度性能和刚度性能均符合离心通刘哲（阳泉煤业集团七元煤业有限责任公司，山西寿阳 045400）摘要：矿用离心通风机叶轮组静力学与模态分析方法，可通过静力学分析和模态分析，对矿用离心通风机叶轮组最大受力点以及低阶固有频率进行分析研究，进而为设计人员提供最大受力点以及低阶固有频率参考，保障矿用离心通风机叶轮组综合性能，提高使用寿命。为了能够进一步检验此方法的有效性，今后还会将矿用离心通风机叶轮组静力学与模态分析方法应用于工程实践。关键词：离心通风机；叶轮组；静力学分析；模态分析矿用离心通风机叶轮组静力学与模态分析图1 矿用离心通风机叶轮组网格划分模型2023.9 矿业装备/201风机的实际使用性能需求，可以保障矿用离心通风机的持续稳定运行。但在深入分析后可以发现，矿用离心通风机的各类材料仍然具有较大的性能富余空间，所以在进行矿用离心机叶轮组结构优化设计时，可以对相关构件进行参数优化，以此来提高材料利用率，降低矿用离心通风机整体生产成本。3.2 矿用离心通风机叶轮组模态分析通过 ANSYS 软件对矿用离心通风机进行模态分析，获得其中低阶固有频率及振型分析结果：矿用离心通风机叶轮组第 1 阶振型固有频率为0.55522Hz。在此振型下，叶轮组实际振动呈现为沿 x 轴方向扭转振动，最大振动变形位置发生在叶轮组轮盖上。第 2 阶固有振型分析过程与第 1 阶固有振型分析过程大致相同。第 2 阶振型固有频率为 3.9003Hz，在此振型下，叶轮组实际振动呈现为沿 z 轴方向左右振动，最大振动变形位置发生在叶轮组轮盖上。第 3 阶固有振型分析过程与第 1 阶固有振型分析过程大致相同，第 3 阶振型固有频率为 3.9254Hz，在此振型下，叶轮组实际振动呈现为沿 y 轴方向左右振动，最大振动变形位置发生在叶轮组轮盖上。第 4 阶固有振型分析过程与第 1 阶固有振型分析过程大致相同，第 4 阶振型固有频率为 8.7200Hz，在此振型下，叶轮组实际振动呈现为沿 x 轴方向扭转振动，最大振动变形位置发生在叶轮组轮盖上。第 5 阶固有振型分析过程与第 1 阶固有振型分析过程大致相同，第 5 阶振型固有频率为 11.871Hz，在此振型下，叶轮组实际振动呈现为沿 y 轴方向扭转振动，最大振动变形位置发生在叶轮组轮盖上。第 6 阶固有振型分析过程与第 1 阶固有振型分析过程大致相同，第 6 阶振型固有频率为 11.911Hz，在此振型下，叶轮组的实际振动呈现为沿 y 轴方向扭转振动，最大振动变形位置发生在叶轮组轮盖上。结合实际情况来看，当离心通风机叶片的实际转速为 1450r/min 时，叶轮组在 3.9254Hz 和 11.911Hz 条件下易发生变形问题，也就是所在第 3 阶振型和第 6 阶振型条件下会导致叶轮组出现变形情况。而且相对于叶片来说，其实际综合性能更低，多方面因素结合使得叶轮组轮盘在实际应用中更容易出现变形、损坏情况。因此，在进行叶轮组结构优化时不仅需要保障叶轮组的工作频率尽可能规避其固有频率，还需要对轮盖结构及参数进行优化完善。4 矿用离心通风机静力学与模态分析方法的工程应用相对于传统矿用离心通风机结构设计及优化方法来说，提出了专用于矿用离心通风机叶轮组的静力学与模态分析方法，不仅可以降低离心通风机实体制造成本，优化结构设计，还可以提高设计效率，实现可视化设计。不过这种方法作为一种理论仿真方法，其仿真分析过程较为理想化，与具体结构设计过程存在一定差异，所以为能够进一步检验此种方法的有效性，还需要将其应用于工程实践中。分别采用矿用离心通风机的静力学与模态分析方法和传统矿用离心通风机结构设计及优化方案进行匹配对比，最终确认此方法与传统方法之间的差异点，进而判断此方法的有效性。通过对比研究发现，此方法与传统方法之间虽然存在一定的精度差距，但仍然可以作为叶轮组结构设计及优化的参考，所以具有一定的现实价值。5 结束语矿用离心通风机叶轮组的静力学与模态分析方法，主要由静力学分析和模态分析两部分组成，其中静力学分析主要用于分析叶轮组强度性能和刚度性能，可为叶轮组结构设计及优化提供强度及刚度性能参考；模态分析主要用于分析叶轮组运行时的固有频率，可为后续叶轮组结构设计及优化中频率设置提供重要参考。总体来说，专用于矿用离心通风机叶轮组的静力学与模态分析方法具有较强的实用性，可在后续矿用离心通风机叶轮组结构设计及优化提供参考。参考文献1 姚刚.矿用离心通风机叶轮的静力学分析及优化改进方案J.机械管理开发,2021,36(10):120-122.2 李婷,寇子明,李胜.矿用通风机叶轮的可靠性分析与探究J.煤炭技术,2016(3):252-254.3 王锐兵.基于有限元法的矿用离心通风机进风口结构设计J.矿业装备,2020(6):14-15.图2 矿用离心通风机叶轮组节点应力图图3 矿用离心通风机叶轮组节点位移图