摘 要

对旋式隧道风机具有效率高、结构紧凑、低噪声、送风距离远、可靠性高、环境友好等特点，极大地减少了工人的劳动强度，并且节约了通风时间，是隧道输送和调节空气或排除烟尘的理想设备。本课题主要针对隧道风机两大关键技术进行研究：一是对对旋式隧道风机的整体结构的设计；二是利用SolidWorks软件中simulation插件对支承电机的外壳进行了静力分析。

以功率15kw、流量10msup3;/s的隧道风机为研究对象，首先阐述了隧道风机的工作原理，确定了电机的型号、支撑方案以及扇叶的叶型，讨论了三种典型扇叶叶型的特点，选出了最佳结构。其次，针对轴伸端轴承使用寿命短的问题，讨论了合理设计轴承室的结构、改进轴承结构的方式和改善润滑方案三种方案的优缺点，并选出了最佳方案来增加轴承使用寿命；而针对后级电机容易烧毁的问题，对采用隔流腔结构、改进叶型结构和合理分配风机压力负载三种方案的优缺点进行了讨论，选出了最解方案。最后，使用SolidWorks软件中simulation插件对电机支承壳体进行了静力分析。

最后对所做工作进行总结，即通过设计轴承室的结构并选用耐高温的润滑脂方案，增加轴伸端轴承使用寿命；通过设计隔流腔结构，降低后级电机烧毁的风险；并验证了电机支承外壳在风机以各种角度安装时能够有效承载载荷。

关键词：对旋式隧道风机；扇叶叶型；隔流腔；轴承室；静力分析

Abstract

The rotary tunnel fan has the characteristics of compact structure, high efficiency, low noise, long air supply distance, high reliability and environmental friendliness, which greatly reduces the labor intensity of workers and saves ventilation time. It is an ideal equipment for conveying and regulating air or removing smoke and dust in tunnels. This subject mainly focuses on two key technologies of tunnel fan: one is the design of the overall structure of counter-rotating tunnel fan; the other is the static analysis and modal analysis of the shell of supporting motor by using finite element analysis software.

Taking the tunnel fan with rated power of 15 kW and flow rate of 10 m/s as the research object, the working principle of the tunnel fan is expounded firstly, the type of the motor, the supporting scheme and the blade shape of the fan are determined, the characteristics of three typical blade shapes are discussed, and the optimum structure is selected. Secondly, aiming at the problem of short service life of axle extension bearing, the advantages and disadvantages of three schemes, namely, reasonable design of bearing chamber structure, improvement of bearing structure and improvement of lubrication scheme, are discussed, and the best scheme is selected to increase the service life of bearing. To solve the problem of easy burnout of rear motor, the structure of separator chamber, improvement of blade shape and reasonable distribution of fan pressure are adopted. The advantages and disadvantages of the three schemes are discussed, and the best solution scheme is selected. Finally, the simulation plug-in of SolidWorks software is used to calculate the relevant column and analyze the deformation failure of the motor support shell.

Finally, the work done is summarized, that is, by designing the structure of bearing chamber and choosing high temperature resistant grease scheme, the service life of axle extension bearing is increased; by designing the structure of separator chamber, the risk of burning down of rear motor is reduced; and the effective load of motor support shell is verified when the fan is installed at various angles.

Key Words：Counter-rotating tunnel fan; Fan blade profile; Isolation chamber; Bearing chamber; Finite element analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 项目背景 3

1.2.1 国内研究现状 3

1.2.2 国外研究现状 4

1.3 主要研究问题 4

1.4 拟解决关键问题 4

1.4.1 轴伸端轴承寿命短 4

1.4.2 风机后级电机烧毁风险大 5

第2章 对旋式隧道风机的整体结构设计 6

2.1 对旋式隧道风机的工作机理 6

2.2 对旋式隧道风机各个模块结构设计 7

2.2.1 电机的选择 7

2.2.2 风扇叶轮的叶型及安装角度设计 7

2.3 对旋式隧道风机整体布置方案 8

2.3.1 隧道风机布局方案设计 8

2.3.2 总体布局方案分析选择 9

2.3.3 确定总体布局方案 9

2.4 对旋式隧道风机各个模块尺寸设计 10

2.4.1 中心传动轴尺寸设计 10

2.4.2 主机壳体的结构尺寸设计 13

2.4.3 轴承室的结构尺寸设计 15

2.5 隧道风机模型建立 18

2.5.1 I级II级电机轴承室部分的模型建立 18

2.5.2 隧道风机整体模型建立 19

2.6 小结 20

第3章 主机壳体的静力学分析 21

3.1 在隧道顶布置时的静力分析 21

3.2 在隧道侧壁布置时的静力分析 22

3.3 分析应力集中的原因 23

3.4 小结 23

第4章 总结展望 24

4.1 研究总结 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致谢 26

绪论

研究目的与意义

近年来，中国“基建狂魔”的称号传播的越来越远，并且国民经济的发展越来越迅速，中国基础设施建设的能力已经领跑世界，公路、铁路的修建量运营里程也早已达到世界首位。截至2018年底，中国大陆地区开通城市轨道交通运营线路185条，运营线路总长5761.4公里，其中地铁运营线路4354.3公里，同比上年增加728.7公里^[1]。

中国自主研发盾构机后，一条条公路、地铁隧道如雨后春笋般落地建成，其中特长隧道的数量也逐渐增多，长度大于10公里的特长隧道约102座，长约141公里；长度大于20公里的隧道共有9座，总长约218.8公里。

由于车辆通行时产生大量尾气，隧道内壁岩缝中产生有害气体，若不进行有效通风，就会有大量有害气体聚集在隧道内，从而降低隧道内环境的舒适性，影响人员健康，更有可能造成火灾等事故，因而必须对隧道进行调节空气、排除烟尘等通风工作。

常用的通风方式有自然通风和机械通风。

自然通风是指隧道通过自然风进行通风，依靠隧道入口的温差和压差以及车辆进出口形成的活塞风，不需要任何通风设备和外部人为因素。这种通风方式有一定的局限性，隧道长度、隧道内外温差、空气相对湿度、洞间气压差、车速、交通量等都对自然通风有很大影响。自然通风法一般适用于高速大流量的单向短距离公路隧道，但难以满足长距离公路隧道的通风要求。例如，张涿高速公路保定段南台二号隧道长度不足200m，太平庄隧道全长 107.0m均可优先考虑自然风通风方式，充分利用自然资源满足其隧道通风需求，具有较强的经济性^[2]。

图1-1 隧道风机结构简图

机械通风即利用通风机给空气提供一定能量，产生风压，使地面空气不断进入室内，然后干净空气沿预定的路径流动，从而将脏空气挤压排出室内的通风方法叫做机械通风。JTJ 026.1-1999《公路隧道通风照明设计规范》中明确规定短隧道或者部分中隧道靠自然通风便满足要求，而在长隧道且车流量大的隧道与特大隧道中，必须安装通风设施，所安装的风机为隧道风机，其结构大致如图1-1所示。工作原理为，电机带动叶轮旋转产生风压，污浊的空气由集流器压入风机，通过叶轮产生较大动能，流经导叶、后导流罩从扩散筒射出。射出的距离受电机功率、安装角度和风机内部结构的影响。

隧道中的主要通风机是轴流式。要求是呼吸机可根据隧道内烟尘浓度自动运行，以动叶可调式为宜。它可以提高呼吸机的运行效率，在发生火灾时可以逆转，从而快速排出烟雾。地下铁路供气和排气的通风机可以是离心式或轴流式，也可以是一般隧道式通风机。由于地下隧道，最好是小。由于进料口和排气口位于城市的地面上，因此要求风扇的噪音应低。射流或轴流风机可用于短隧道、长隧道以及地下铁路。隧道风机通常悬吊在隧道的顶部或安装于隧道两侧。这种安装方式使它不占用交通区域，也不需要建造额外的通风管道，并且建筑成本低。风扇易于安装、操作和维护，这是一种非常经济的通风模式。

隧道风机将干净空气吸入，再从另一端射出，给空气以一定的动能，使气体能在隧道中向前流动。气流向前流动时，其速度会足见减小，当减小到一定大小时，下一组风机再将气体吸入，循环以上过程。以这种方式实现了从隧道的送风排烟的目的。工作示意图如图1-2所示。

综上所述，隧道风机是特长隧道通风工作中一个关键的部分，设计一款隧道风机对实际生活有着很大帮助。

图1-2 隧道风机工作示意图

项目背景

国内研究现状

国内，由于各种基础设施建设的日益增多，隧道风机的生产制造也日趋成熟，诞生出许多风机厂商。

1. 淄博科尔福风机有限公司

淄博风机厂所研制的SDF型隧道压入式对旋轴流通风机，功率跨度从2*4kw到2*185kw，流量跨度从110-165msup3;/s 到1580-2340msup3;/s ，其风扇叶轮的叶片采用流线型设计，风机采用电动机与叶轮直联方式。具有传动可靠，整体结构简单紧凑，坚固耐用，使用安全，维修方便的特点。性能参数表如表1-1。

表1-1 SDF系列隧道风机性能参数表

1. 浙江巨风通风设备有限公司

该公司SDS系列射流风机广泛用于公路、铁路隧道的运营通风系统中。该型号隧道风机具有耐腐蚀，低噪音，耐高温的特点。可根据用户需要配备双速电机，分别保持强制排烟或低速通风的节能运行。 此外，SDS系列喷射风扇运转平稳，维护简单，外形美观，使用方便。

国外研究现状

国外由于工业发展时间较长，因而对在隧道风机的研制使用上也有很深的积淀。

1. 德国透平通风技术有限公司（TLT）

该公司早在20世纪40年代就研制出动叶可调的大功率单级和双级矿井轴流通风机。20世纪70年代，又研制出专门用于电站锅炉冷却系统的轴流通风机。

该公司制造出轴流风机的一系列标准，比如选用直径D80系列，其生产的轴流风机的性能参数范围：外径范围共32个规格，流量范围 ，全压。每个叶轮直径长度对应有7个规格的轮毂大小。轮毂的结构为铆焊结构，扇叶叶片的制造材料为铸铝合金、铸铁合金、锻铝合金、锻造钢和不锈钢等。

该公司生产的轴流通风机有叶片在运转过程中可调整、叶片只能在停机后可调整和叶片不可调整三种型式，主要用于隧道送风排污、矿井排烟排风、电锅炉的冷却系统以及冶金、石化等部门的冷却系统。

1. 丹麦诺狄斯克通风机有限公司

该公司主要设计制造VARIAX型轴流通机。该型号风机有7个系列，其中ASN系列、AST系列是使用液压的方式调整叶片角度，并且在叶轮高速旋转时也可以进行调整，主要用于电站锅炉鼓的冷却系统，其性能范围跨度很广：流量范围，全压范围，全压效率。该公司采用的组合设计方法是“量体裁衣”。

主要研究问题

本文主要研究类容包括：

1. 对旋式隧道风机整体装配方案的选型，以及整体设计。
2. 讨论了不同风机叶型对风机效率的影响，选择最佳叶型以及安装角度。
3. 使用有限元软件对电机支承外壳的强度校验。

拟解决关键问题

1.4.1 轴伸端轴承寿命短

由于风机叶片在推送空气过程中产生的轴向力、径向力、旋转力的剩余不平衡力、风量变化导致作用在叶轮上的压力变化等，这些多余的径向力和轴向力会在风机运转过程中转化为当量动负荷，这些负荷对轴承接触面来说是致命的失效因素。因为这些原因，靠近电机轴伸端的轴承接触面容易与轴段胶合，进而使轴承抱轴、烧毁；更严重的会导致电机的定子绕组因发热过大而烧毁。长此以往，轴承的寿命急剧减弱，并且同时降低了风机的使用年限。

对旋式隧道风机在运行过程中轴承不仅承受径向力，还承受着不稳定的轴向力。长期在这种高负载状态下工作就会使轴承面临与轴端胶合、被过大摩擦热烧毁的风险。想要解决这些问题，可以采用以下方法达到延长轴承寿命，进而达到延长风机寿命的目的。

1. 通过设计结构合理的轴承室，改变轴承室结构
2. 选用合理耐高温的润滑剂等方式，减小摩擦热，来防止轴承的胶合失效。

1.4.2 风机后级电机烧毁风险大

风机用运转过程中产生的压力为300~20000Pa不等，在隧道中布置意味着通风距离大，而且随着通风距离的增大，截面流速逐渐下降，倘若但气流速度下降到一定程度时，第二组风机没有及时继续给予空气动能，会导致后一级电机实际功率增加速度比前一级快。当送风距离超过了一定程度时，虽然两级风机的总的实际功率没有达到其中任意一级的两倍，但是后级电机的实际功率已经远远超出了该使用电机的额定功率，造成排气级电机的超载运行。长时间超载运行，电机发热量的得不到有效的散失，容易导致电机烧毁。

对于后级电机被烧坏的风险较大这个问题，究其原因主要是以下两个方面：

1. 长距离送风时由于传送过来的风量减少，导致电机不容易将所携带热量排出；
2. 二是长距离送风时二级电机的实际功率异常增大，电机超载运行。

因此降低电机烧毁风险的措施，必须是与这三方面有关的：第一，可以采用隔流腔结构，从而提高电机的散热效果。第二，改进叶形结构，防止电机超载。第三，在分配压力负载时，分配给后级电机的压力负载更少。

对旋式隧道风机的整体结构设计

对旋式隧道风机由集流器，消声器，I、II级主机壳体，I、II级消声外壳，导流罩，I、II级电机和扇叶叶轮组成。风机的外壳和结构部件均由钢板焊接，内筒由多孔板焊接，内衬消声材料，电动机放置在风道中，其外壳同样可以用作内风道，并且两级叶轮方向互为对旋，其结构简图如图2-1所示。下面主要从对旋式隧道风机的工作机理、风机整体布置方案设计、风机各个模块的尺寸结构设计等进行详细设计。

图2-1对旋式隧道风机结构简图