矿用防爆风机叶柄螺纹结构有限元分析

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摘要：采用有限元分析方法．建立了防爆石家庄风机叶柄螺纹结构的有限元模型。应用ANSYS软件对叶柄螺纹的3种主要牙型进行计算，求出其应力大小和分布状况。并对3种牙型做了分析比较，为矿用防爆石家庄风机叶柄设计提供了重要的参考依据。矿用防爆石家庄风机广泛应用于大型煤炭企业，适用于大中型煤矿矿井做地面抽出或压入式主通石家庄风机．也适用于金属矿山、化工矿山、隧道工程等场所。
石家庄风机主要由进气筒、一级主风筒(内含驱动电机、一级叶轮)、二级主风筒(内含驱动电机、二级叶轮)、扩压筒、消声筒、扩散塔等主要部件组成，叶片是石家庄风机的主要气动元件。每一个叶片都安装在自己的叶柄上，叶柄通过其柄部螺纹，紧固连接在叶轮的轮上，当电机驱动叶轮旋转时，叶柄即带动叶片旋转，从而产生风力。石家庄风机运行时叶柄和叶片产生的巨大离心力以及空气阻力最后都由叶柄的联接螺纹来承担，因此分析叶柄的螺纹结构及应力分布状况。对改善叶柄的螺纹结构形式设计和进一步提高防爆石家庄风机的可靠性具有重要意义。2种结构的强度均是很可靠的，远远低于许用应力，只不过采用斜撑结构时。最大应力发生在与陶瓷过滤机主支架的2处焊接部分，而现有直撑结构发生在支撑方钢偏上处。
所以综上所述，采用斜撑结构方案是可行的。表l显示了2种结构下的几种ANSYS计算结果。首先提出了对现有陶瓷过滤机主轴支撑架采取斜撑结构的方案．利用有限元软件ANSYS对模型进行了应力分析，比较了现有直撑结构与斜撑结构的最大偏移变形及最大应力。得出斜撑方案可行且节省材料，为进一步改进设计、优化加工提供了可靠的数据支持。叶柄的柄部螺纹有3种主要结构形式：普通细牙螺纹M36x3、普通粗牙螺纹M36x4和梯形螺纹Tr36x3。本文拟建立叶柄柄部螺纹联接的有限元模形．对叶柄柄部螺纹结构的3种主要牙型进行计算，求出其应力大小和分布状况，在分析比较的基础上，推荐一种较为理想的螺纹牙型，为矿用防爆石家庄风机叶柄设计提供重要的参考依据。
2普通细牙螺纹分析
2．1建立有限元模型叶柄通过螺纹与叶轮联接时．由于螺纹的螺旋升角很小，故可将其忽略．这样便可将其视为轴对称结构进行建模．选择单元为PLANE42，设定其参数KEYOPT(3)=Axisymmetric．即定义它为轴对称单元。采用自底向上的建模方法，以叶柄中心线(y轴)作为对称轴，首先建立普通细牙螺纹M36x3的模型。详细建模步骤如下：(1)建模通过定义关键点生成直线的方式分别建立外螺纹(叶柄部分)、内螺纹(叶轮部分)的模型。采用自由网格划分方法分别对内、外螺纹进行网格划分，划分网格后的内、外螺纹模型如图2所示。
2．2求解和后处理经求解和后处理得到M36×3普通细牙螺纹的应力分布状况云图如图4所示。为了更好地显示出螺纹牙顶处的应力分布状况及大小，可将应力云图的局部放大。从应力云图可以看出，M36×3普通细牙螺纹的最大应力为43．9 MPa，位置在靠近叶柄大端(连接叶片端)的螺纹牙顶处。越向小端则应力逐渐减小。其他大部分区域的应力值在9．85-29．3 MPa变化。应力分布状况较好，最大变形为0．004 48 Inlil。3普通粗牙螺纹和梯形螺纹分析用上述同样方法分别对普通粗牙螺纹M36x4和梯形螺纹Tr36x3进行分析，求出了在相同载荷作用下叶柄螺纹联接处的应力分布状况及数值大小。