矿用轴流式通风机机座结构的优化研究

温文军

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司， 山西 高平 046700）

引言

随着综采技术的发展，煤矿综采作业深度不断加大、井下综采环境日趋复杂，因此对煤矿井下通风系统的运行稳定性提出了更高的要求。轴流式通风机作为矿井通风系统最核心的结构，其工作时的通风特性直接关系到了通风系统的运行稳定性和可靠性[1]。目前多数轴流式通风机在运行过程中存在着一定程度上的振动、异响、开裂，给矿井通风安全造成了巨大的隐患。根据分析，主要是由于通风机的机座结构强度不足或者设计不合理导致的。因此多数轴流式通风机的机座在设计时采用了加大安全系数的方案，对整体进行加强，以确保使用的安全性。虽然在一定程度上提升了通风机的运行稳定性，但导致机座整体重量大、结构分布不合理，高速运行时的应力集中严重。因此本文提出利用ANSYS 仿真分析软件，对通风机机座进行优化分析，在确保结构强度的情况下，降低机座整体重量、降低运行时的应力集中、提升运行稳定性，根据实际分析表明优化后风机整体结构质量降低了16.9%，工作时的最大应力集中降低了约为14.1%，有效地提升了通风机的运行稳定性和可靠性。

1 通风机机座三维模型建立

本文以200FZY4-D 型轴流式通风机为研究对象，机座包括外筒、内筒、法兰、盖板等零件，各个零件之间的连接方式均采用了焊接连接结构，利用CREO三维建模软件[2]，按照1∶1 的比例结构，绘制轴流式通风机的全比例三维结构模型。为了提升数据分析的准确性，在对通风机的机座进行网格划分时，采用了精细化网格划分的方案，网格的基本尺寸单元选择为7 mm，划分完成后整个通风机的机座共有27 3093 个网单元，652 983 个网格节点，实现了对重点分析区域的重点分析控制，网格划分后的通风机机座三维结构如图1 所示。

图1 通风机机座三维网格划分模型

为了确保仿真分析结果的准确性，根据轴流式通风机200FZY4-D 型的实际条件，设置其材料为Q235，材料的弹性模量为198 GPa，材料的泊松比为0.25，材料的密度为7 725 kg/m3，机座的整体质量为331.84 kg。

2 机座结构强度的仿真分析

由于通风机工作时的机座是通过四个地脚螺栓固定在地面上，对其起稳定性作用，因此在进行仿真分析时，在固定地脚螺栓的地方设置轴向向下的载荷，模拟固定时的紧固力[3]。利用ANSYS 仿真分析[4]软件模拟通风机运行时机座的变形和应力变化情况，结果如图2 所示。

图2 机座在受力状态下的变形（mm）和应力（MPa）分布情况

由仿真分析结果可知，该机座在运行过程中的最大变形量约为0.21 mm，其最大应力集中约为66.3 MPa，由实际分析结果可知，机座在工作过程中的最大变形量和最大受力均显著低于材料的性能极限，说明机座结构存在着严重过剩，导致了风机成本和重量的增加，因此需要对机座结构进行优化，在确保运行安全的情况下降低材料用量和重量。

3 机座结构优化方案

优化时以在确保应力和应变安全的情况下降低机座的结构重量为目标，利用优化设计[5]的思想，建立机座结构优化的属性模型[6]。

式中：W（x）为风机机座的质量；[x1，x2]为机座内筒和外筒的壁厚；[σ]为风机机座的许用应力；[k]为风机机座的许用刚度。

假设风机的外筒壁厚的变化范围为1.5～1.75 mm，风机内筒的壁厚变化范围为2.625～3 mm，则利用优化设计公式即可求出风机机座重量、最大变形量和最大应力集中情况。风机机座外筒壁厚的变化与应力、应变、质量的对应关系如图3 所示。

图3 风机机座质量、变形、应力与外筒壁厚关系

根据实际分析可知，风机机座的质量和外筒壁厚呈正相关关系[7]，风机在受力过程中的最大变形量随着壁厚的增加逐渐降低，风机运行过程中的最大等效应力随着风机壁厚的增加而逐渐增大，当壁厚超过1.65 mm 以后，最大等效应力的增加幅度将显著地降低。由此可知，当外筒壁厚为1.65 mm 的情况下风机机座的质量、等效应力和变形能够达到一个较为稳定的平衡点。

由图4 可知，随着风机机座内壁厚度的增加，变形量会逐渐加大，这主要是由于风机机座内壁主要是用于实现和风叶运行间隙的配合，不是用于加强机座结构，因此内部越厚，在运行过程中所受的偏心力越大，变形量越大。风机运行时的最大等效应力随着壁厚的增加逐渐增大，风机机座的质量也随着风机机座内壁厚度的增加而增大。由此可知，为了避免风机运行过程中的过大变形，因此需要尽量降低风机内筒的壁厚，内筒壁厚选择2.62 mm 时风机机座具有最佳的特性。优化后风机整体结构重量降低了16.9%，工作时的最大应力集中降低了约为14.1%，有效地提升了通风机的运行稳定性和可靠性。

图4 风机机座质量、变形、应力与内筒壁厚关系

4 结论

针对现有通风机机座结构重量大、强度低、影响通风机运行安全的现状，提出利用ANSYS 仿真分析软件，对通风机机座进行优化分析，在确保结构强度的情况下，降低机座整体重量、降低运行时的应力集中、提升运行稳定性，根据实际分析表明:

1）机座在工作过程中的最大变形量和最大受力均显著低于材料的性能极限，说明机座结构存在着严重的过剩，导致了风机成本和重量的增加；

2）利用ANSYS 仿真分析软件能够对风机运行时风机的受力和变形情况进行分析，对优化风机机座结构、提升运行稳定性具有十分重要的意义；

3）优化后风机整体结构质量降低了16.9%，工作时的最大应力集中降低了约14.1%，有效地提升了通风机的运行稳定性和可靠性。