Проектування, аналіз та експериментальне дослідження статичної міцності композиційної біметалічної лопатки вентилятора головного провітрювання шахти

Abstract

В роботі розроблені конструкція та метод виготовлення лопатки вентилятора головного провітрювання шахт, яка поєднує у собі сталевий хвіст із остовом та алюмінієве перо, що дозволяє досягти високої міцності її кріплення в машині у поєднанні із відносно низькою вагою робочої частини. Метод полягає у нанесенні алюмінієвого пера лопатки за допомогою процесу лиття у кокіль на сталевий остов із хвостом. Детальній аналіз внутрішньої структури поєднання двох матеріалів продемонстрував суцільність їхнього з'єднання та повний контакт поверхонь. Створена за допомогою проведених скінченно-елементних розрахунків методика спрощеного експериментального дослідження статичної міцності лопатки дозволила підтвердити працездатність з'єднання між сталевою та алюмінієвою частинами та дослідити особливості деформування і руйнування такої комбінації різнорідних елементів, що, в свою чергу, відкриває шлях для випробувань та використання даного інженерного рішення в реальних роторних машинах.The paper presents the design and the method for manufacturing a blade of a mine main ventilation fan, which combines a steel root with a skeleton and an aluminum airfoil. This new type of blades was designed to replace a standard cast aluminum solution which did not meet the operational requirements of a moving media, that were not provided by the initial project options of the customer. Such the combination allows to achieve the high strength of its mounting in the machine together with a relatively low weight of the working part. In addition to that, the concept of bimetallic blades enables a replacement of worn out blade airfoils without producing new blade roots, which should make a repairment process simpler and cheaper. The method is to apply an aluminum airfoil to the steel skeleton with the root using a coil casting process. The skeleton was designed on a side face of a circle cylinder in order to provide its relatively low cost and manufacturability. A detailed analysis of the internal structure of the combination of the two materials demonstrated a solidity of their connection and a full physical contact of their surfaces. The technique of a simplified experimental study of the static strength of the blade performed using the finite-element calculations allowed to confirm an efficiency of a connection between the steel and aluminum parts and to study features of a deformation and a rupture of such the combination of heterogeneous elements, which in turn opens the way for testing and use of this engineering solution in real rotary machines. The technique for profiling new blade airfoils on a side face of a circle cylinder was proposed in order to provide the best allignment of both the side surfaces of the steel skeleton and the aluinium airfoil, which should increase the strength of the connection and simplify the production of skeletons for future solutions and projects.