前言 防爆風(fēng)機(jī)主要用于含有瓦斯或粉塵爆炸性危險(xiǎn)的煤礦井下做通風(fēng)設(shè)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(fēng)場所。風(fēng)門安裝在各個(gè)巷道口, 對該巷道是否通風(fēng)起開關(guān)作用, 因此, 風(fēng)門承受著巨大的風(fēng)載荷。長期以來一直采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì), 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(fèi)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(fēng)機(jī)風(fēng)門板進(jìn)行有限元分析, 根據(jù)分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。
風(fēng)門結(jié)構(gòu)介紹風(fēng)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(hào)槽鋼圍焊而成, 中間用10 號(hào)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(gè)表面上分別焊上厚度為6mm的Q235A鋼板, 形成蒙皮。風(fēng)門面積為5242mm@5700mm。2 建立有限元模型 單元的選擇和單元坐標(biāo)系的確定
根據(jù)風(fēng)門結(jié)構(gòu)和工作時(shí)的受力情況, 建模時(shí)選用三維彈性梁單元BEAM4。BEAM4單元為空間剛架單元, 它有2個(gè)節(jié)點(diǎn)( I、J) , 每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6個(gè)自由度, 即沿著坐標(biāo)X軸、Y軸、Z軸方向的平動(dòng)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(diǎn)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(shí), 如果不定義K節(jié)點(diǎn), 單元坐標(biāo)y 軸與空間坐標(biāo)系Y坐標(biāo)軸方向相同。本文在模型中定義了編號(hào)為91和92的節(jié)點(diǎn)為K節(jié)點(diǎn)。I 節(jié)點(diǎn)到J 節(jié)點(diǎn)為單元坐標(biāo)系的x 軸, y 軸在節(jié)點(diǎn)I、J 和K構(gòu)成的平面上
且與x 軸垂直, 應(yīng)用右手定則可以得到z 軸。 2. 2 添加實(shí)常數(shù)確定了單元坐標(biāo)系后, 即可定義單元截面的幾何屬性。需要輸入的實(shí)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(jì)算實(shí)常數(shù)時(shí)將蒙皮的厚度折算在10號(hào)工字鋼中。格柵的中部有2根10號(hào)槽鋼并排對接在一起, 應(yīng)單獨(dú)計(jì)算實(shí)常數(shù), 所以模型中共有3種實(shí)常數(shù): 10號(hào)槽鋼的實(shí)常數(shù)Real1、10號(hào)工字鋼的實(shí)常數(shù)Real2、2根10號(hào)槽鋼對接在一起的實(shí)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(diǎn)用APDL語言, 通過N命令創(chuàng)建節(jié)點(diǎn), 共創(chuàng)建92 個(gè)節(jié)點(diǎn), 其中第91、92號(hào)節(jié)點(diǎn)為單元坐標(biāo)系的參考點(diǎn)。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(gè)單元, 如圖3所示。 加約束和載荷
加約束根據(jù)風(fēng)門工作時(shí)的實(shí)際情況, 對格柵下部第 1~ 10號(hào)節(jié)點(diǎn)施加約束, 使UX= UY= UZ= RX= RZ=0; 對格柵兩邊的節(jié)點(diǎn)施加約束, 使UY= UZ= RY= RZ= 0。施加約束后的風(fēng)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(huì) 防爆風(fēng)機(jī)自動(dòng)把它換算為相應(yīng)的重力。 ( 2) 施加工作載荷礦井工作風(fēng)壓為4400Pa, 風(fēng)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(gè)節(jié)點(diǎn)上, 每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果與分析
大變形Dmax=0. 442mm, 在風(fēng)門上部第85號(hào)節(jié)點(diǎn)處不影響風(fēng)門正常工作。通過定義單元表的方式查看到大應(yīng)力為8427Pa, 在風(fēng)門上部第153和第161號(hào)單元處, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Q235A鋼的許用應(yīng)力 [ R] = 167MPa。圖5為風(fēng)門變形和未變形時(shí)的對比, 從中可以看到風(fēng)門的變形趨勢。 6 結(jié)語與改進(jìn)措施鑒于上述計(jì)算結(jié)果, 現(xiàn)將蒙皮的厚度改為t = 3 mm, 其他不變。計(jì)算出大變形為Dmax = 0. 879 mm, 位置仍然在風(fēng)門上部第85號(hào)節(jié)點(diǎn)處, 不影響風(fēng)門正常工作。大應(yīng)力為8454Pa, 位置仍然在風(fēng)門上部第153和第161號(hào)單元處, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Q235A鋼的許用應(yīng)力[ R] = 167MPa。查閱國家標(biāo)準(zhǔn)5鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范6, 在現(xiàn)有格柵
結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下, 當(dāng)蒙皮的厚度t 由6mm改為3mm時(shí), 蒙皮不會(huì)因失穩(wěn)而產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象。所以可以將風(fēng)門的2個(gè)蒙皮鋼板的厚度t 由6mm 改為3mm。厚度減小后, 風(fēng)門重量減輕了1387kg ( 風(fēng)門原重5300kg) , 比原重量減少了26%, 每個(gè)風(fēng)門因節(jié)約材料產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益5548元。
由于風(fēng)門的重量減輕, 在煤礦井下, 啟閉風(fēng)門用的風(fēng)門絞車的功率也可隨之減小, 從而節(jié)約能源, 間接經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀。