前言 防爆風機主要用于含有瓦斯或粉塵爆炸性危險的煤礦井下做通風設備。也適用于采礦、隧道、船舶、石油化工及國防工業(yè)等系統(tǒng), 有爆炸性氣體的通風場所。風門安裝在各個巷道口, 對該巷道是否通風起開關(guān)作用, 因此, 風門承受著巨大的風載荷。長期以來一直采用經(jīng)驗設計方法進行設計, 其結(jié)構(gòu)的合理性有待研究。為使其結(jié)構(gòu)更加合理, 避免發(fā)生材料浪費等現(xiàn)象, 以降低生產(chǎn)成本。本文采用有限元分析方法, 對防爆風機風門板進行有限元分析, 根據(jù)分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)設計改進方案。

  風門結(jié)構(gòu)介紹風門屬于格柵加蒙皮結(jié)構(gòu), 其內(nèi)部為格柵, 外部是蒙皮。格柵四周用10號槽鋼圍焊而成, 中間用10 號工字鋼互相垂直相交焊接, 形成格柵結(jié)構(gòu)。在格柵的2個表面上分別焊上厚度為6mm的Q235A鋼板, 形成蒙皮。風門面積為5242mm@5700mm。2 建立有限元模型 單元的選擇和單元坐標系的確定

  根據(jù)風門結(jié)構(gòu)和工作時的受力情況, 建模時選用三維彈性梁單元BEAM4。BEAM4單元為空間剛架單元, 它有2個節(jié)點( I、J) , 每個節(jié)點上有6個自由度, 即沿著坐標X軸、Y軸、Z軸方向的平動自由度和繞X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度。可選擇的K 節(jié)點用于該單元在空間的定位, 圖1表示了幾種 BEAM4單元的空間放置情況。定義單元時, 如果不定義K節(jié)點, 單元坐標y 軸與空間坐標系Y坐標軸方向相同。本文在模型中定義了編號為91和92的節(jié)點為K節(jié)點。I 節(jié)點到J 節(jié)點為單元坐標系的x 軸, y 軸在節(jié)點I、J 和K構(gòu)成的平面上

  且與x 軸垂直, 應用右手定則可以得到z 軸。 2. 2 添加實常數(shù)確定了單元坐標系后, 即可定義單元截面的幾何屬性。需要輸入的實常數(shù)包括截面面積Area、對 Y軸的慣性矩I

  YY、對Z軸的慣性矩I ZZ、Y方向的梁厚度TKY、Z方向的梁厚度TKZ, 以及梁的線質(zhì)量AD- DMAS, 如表1所示。

  由于蒙皮焊在工字鋼的兩端, 在計算實常數(shù)時將蒙皮的厚度折算在10號工字鋼中。格柵的中部有2根10號槽鋼并排對接在一起, 應單獨計算實常數(shù), 所以模型中共有3種實常數(shù): 10號槽鋼的實常數(shù)Real1、10號工字鋼的實常數(shù)Real2、2根10號槽鋼對接在一起的實常數(shù)Real3。 添加材料屬性

  取彈性模量E=2. 1e11Pa, 泊松比L=0. 3。 建模 ( 1) 創(chuàng)建節(jié)點用APDL語言, 通過N命令創(chuàng)建節(jié)點, 共創(chuàng)建92 個節(jié)點, 其中第91、92號節(jié)點為單元坐標系的參考點。如圖2所示。( 2) 創(chuàng)建單元用APDL語言, 通過e命令創(chuàng)建單元, 共創(chuàng)建 170個單元, 如圖3所示。 加約束和載荷

  加約束根據(jù)風門工作時的實際情況, 對格柵下部第 1~ 10號節(jié)點施加約束, 使UX= UY= UZ= RX= RZ=0; 對格柵兩邊的節(jié)點施加約束, 使UY= UZ= RY= RZ= 0。施加約束后的風門如圖2所示。 3. 2 加載荷

  ( 1) 施加重力載荷通過輸入重力加速度9. 8mPs , ANSYS軟件會 防爆風機自動把它換算為相應的重力。 ( 2) 施加工作載荷礦井工作風壓為4400Pa, 風門有效承力面積為25m2 , 將其換算為壓力并平均到格柵中間的每一個節(jié)點上, 每個節(jié)點受力為1964129N。 4 求解

  依次單擊Solution- Solve- CurrentLS, 單擊OK 按鈕, 求解結(jié)束后保存數(shù)據(jù)庫。 5 計算結(jié)果與分析

  大變形Dmax=0. 442mm, 在風門上部第85號節(jié)點處不影響風門正常工作。通過定義單元表的方式查看到大應力為8427Pa, 在風門上部第153和第161號單元處, 遠遠低于Q235A鋼的許用應力 [ R] = 167MPa。圖5為風門變形和未變形時的對比, 從中可以看到風門的變形趨勢。 6 結(jié)語與改進措施鑒于上述計算結(jié)果, 現(xiàn)將蒙皮的厚度改為t = 3 mm, 其他不變。計算出大變形為Dmax = 0. 879 mm, 位置仍然在風門上部第85號節(jié)點處, 不影響風門正常工作。大應力為8454Pa, 位置仍然在風門上部第153和第161號單元處, 遠遠低于Q235A鋼的許用應力[ R] = 167MPa。查閱國家標準5鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范6, 在現(xiàn)有格柵

  結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下, 當蒙皮的厚度t 由6mm改為3mm時, 蒙皮不會因失穩(wěn)而產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象。所以可以將風門的2個蒙皮鋼板的厚度t 由6mm 改為3mm。厚度減小后, 風門重量減輕了1387kg ( 風門原重5300kg) , 比原重量減少了26%, 每個風門因節(jié)約材料產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益5548元。

  由于風門的重量減輕, 在煤礦井下, 啟閉風門用的風門絞車的功率也可隨之減小, 從而節(jié)約能源, 間接經(jīng)濟效益將更為可觀。