前言 防爆风机主要用于含有瓦斯或粉尘爆炸性危险的煤矿井下做通风设备。也适用于采矿、隧道、船舶、石油化工及国防工业等系统, 有爆炸性气体的通风场所。风门安装在各个巷道口, 对该巷道是否通风起开关作用, 因此, 风门承受着巨大的风载荷。长期以来一直采用经验设计方法进行设计, 其结构的合理性有待研究。为使其结构更加合理, 避免发生材料浪费等现象, 以降低生产成本。本文采用有限元分析方法, 对防爆风机风门板进行有限元分析, 根据分析结果提出结构设计改进方案。
风门结构介绍风门属于格栅加蒙皮结构, 其内部为格栅, 外部是蒙皮。格栅四周用10号槽钢围焊而成, 中间用10 号工字钢互相垂直相交焊接, 形成格栅结构。在格栅的2个表面上分别焊上厚度为6mm的Q235A钢板, 形成蒙皮。风门面积为5242mm@5700mm。2 建立有限元模型 单元的选择和单元坐标系的确定
根据风门结构和工作时的受力情况, 建模时选用三维弹性梁单元BEAM4。BEAM4单元为空间刚架单元, 它有2个节点( I、J) , 每个节点上有6个自由度, 即沿着坐标X轴、Y轴、Z轴方向的平动自由度和绕X轴、Y轴、Z轴的旋转自由度。可选择的K 节点用于该单元在空间的定位, 图1表示了几种 BEAM4单元的空间放置情况。定义单元时, 如果不定义K节点, 单元坐标y 轴与空间坐标系Y坐标轴方向相同。本文在模型中定义了编号为91和92的节点为K节点。I 节点到J 节点为单元坐标系的x 轴, y 轴在节点I、J 和K构成的平面上
且与x 轴垂直, 应用右手定则可以得到z 轴。 2. 2 添加实常数确定了单元坐标系后, 即可定义单元截面的几何属性。需要输入的实常数包括截面面积Area、对 Y轴的惯性矩I
YY、对Z轴的惯性矩I ZZ、Y方向的梁厚度TKY、Z方向的梁厚度TKZ, 以及梁的线质量AD- DMAS, 如表1所示。
由于蒙皮焊在工字钢的两端, 在计算实常数时将蒙皮的厚度折算在10号工字钢中。格栅的中部有2根10号槽钢并排对接在一起, 应单独计算实常数, 所以模型中共有3种实常数: 10号槽钢的实常数Real1、10号工字钢的实常数Real2、2根10号槽钢对接在一起的实常数Real3。 添加材料属性
取弹性模量E=2. 1e11Pa, 泊松比L=0. 3。 建模 ( 1) 创建节点用APDL语言, 通过N命令创建节点, 共创建92 个节点, 其中第91、92号节点为单元坐标系的参考点。如图2所示。( 2) 创建单元用APDL语言, 通过e命令创建单元, 共创建 170个单元, 如图3所示。 加约束和载荷
加约束根据风门工作时的实际情况, 对格栅下部第 1~ 10号节点施加约束, 使UX= UY= UZ= RX= RZ=0; 对格栅两边的节点施加约束, 使UY= UZ= RY= RZ= 0。施加约束后的风门如图2所示。 3. 2 加载荷
( 1) 施加重力载荷通过输入重力加速度9. 8mPs , ANSYS软件会 防爆风机自动把它换算为相应的重力。 ( 2) 施加工作载荷矿井工作风压为4400Pa, 风门有效承力面积为25m2 , 将其换算为压力并平均到格栅中间的每一个节点上, 每个节点受力为1964129N。 4 求解
依次单击Solution- Solve- CurrentLS, 单击OK 按钮, 求解结束后保存数据库。 5 计算结果与分析
大变形Dmax=0. 442mm, 在风门上部第85号节点处不影响风门正常工作。通过定义单元表的方式查看到大应力为8427Pa, 在风门上部第153和第161号单元处, 远远低于Q235A钢的许用应力 [ R] = 167MPa。图5为风门变形和未变形时的对比, 从中可以看到风门的变形趋势。 6 结语与改进措施鉴于上述计算结果, 现将蒙皮的厚度改为t = 3 mm, 其他不变。计算出大变形为Dmax = 0. 879 mm, 位置仍然在风门上部第85号节点处, 不影响风门正常工作。大应力为8454Pa, 位置仍然在风门上部第153和第161号单元处, 远远低于Q235A钢的许用应力[ R] = 167MPa。查阅国家标准5钢结构设计规范6, 在现有格栅
结构尺寸不变的情况下, 当蒙皮的厚度t 由6mm改为3mm时, 蒙皮不会因失稳而产生屈曲现象。所以可以将风门的2个蒙皮钢板的厚度t 由6mm 改为3mm。厚度减小后, 风门重量减轻了1387kg ( 风门原重5300kg) , 比原重量减少了26%, 每个风门因节约材料产生直接经济效益5548元。
由于风门的重量减轻, 在煤矿井下, 启闭风门用的风门绞车的功率也可随之减小, 从而节约能源, 间接经济效益将更为可观。