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异步牵引电机装配模拟与有限元分析

发布于:2018-08-23 21:39
有限元分析

      目前,承担铁路货物运输的主型机车是直流驱动电力机车,由于直流驱动货运电力机车单机功率小,成为制约铁路运输能力的瓶颈,影响西北、西南等地区的资源外运,严重制约国民经济的发展。随着我国经济的快速发展,对铁路货运能力的要求越来越高。异步牵引电机可提高单机功率,因此,为了满足铁路货运要求,急需研制新型的大功率交流驱动货运电力机车,以提高运输能力,解决铁路运输瓶颈问题,实现铁路装备的现代化。牵引电机作为电力机车的心脏,是电力机车稳定运行的核心装置。异步牵引电机的设计和研制对于提高重载货运机车的运输能力和运输效率具有重要意义,在铁路大运量货运上有广阔的应用前景,对我国国民经济的发展具有重要意义。异步牵引电机采用内锥轴,与以往的外锥轴在应力分析上不同,本研究建立了异步牵引电机的装配模型,用有限元分析方法对其强度进行分析求解,并分析了装配过盈量对最大应力的影响规律。
      JD160型异步牵引电机的结构主要由定子、转子、端盖、轴承、测速装置和主动齿轮等部分组成。本文主要关注电机转轴的强度分析,因此这里重点分析与转轴模型关联的结构部件,即转子与轴承的装配模型。转子是用来产生感应电势和电磁转矩以实现能量转换的主要部件,它由转子铁芯、导条、端环和转轴等组成。轴承是连接静止的定子和旋转的转子的部件,使得转子旋转时不与定子相擦,实现电机定子和转子稳定的、转动灵活的机械连接。本研究对电机转子的若干部件做如下简化:1)将转子硅钢片叠压在一起的结构视为一个独立的刚体。2)由于轴承的具体结构复杂,同时整体结构分析中对轴承、尤其是轴承内滚珠的应力状态并不十分关注,因此对D端轴承与N端轴承的结构进行简化,对D端轴承的14个滚柱与N端轴承的9个滚珠,在分析中采用仅能承受压缩而不能承受拉伸的GAP单元进行简化分析。并且通过设置GAP单元的间隙值等于D端轴承的游隙,其游隙的大小为0.225mm,以此描述轴承在传递弯矩时的刚度。3)为了便于网格划分,对转轴N端部的螺栓孔仅考虑中心的圆孔。4)采用等效弯矩和扭矩对齿轮载荷进行等效,同时对齿轮结构进行简化;其余构件的局部细微特征(尤其是齿轮的油槽倒角、转轴结构上的工艺退刀槽)均做详细的网格划分。简化后的JD160型异步牵引电机转子装配与网格模型如图所示。构件的基本材料性能参数如表所示。
      按照工艺要求对模型的过盈装配采用两个分析步进行定义,在第一个分析步定义中首先进行转轴与转子冲片过盈装配,装配过盈量为0.1255mm;转轴与N端转子压圈的过盈装配过盈量为0.18mm。在第二个分析步中进行转轴与挡圈的过盈装配,过盈量为转轴变形修正后的0.0124mm;转轴与D端转子压圈过盈装配过盈量为0.105mm;转轴与齿轮轴过盈装配过盈量为0.115mm,其中齿轮前缘的导锥部分过盈量为0.0933mm;同时由于齿轮通过输油孔的压力将D轴承胀大,转轴与D端轴承内圈装配,装配后过盈量为0.069mm;转轴与N端轴承内圈装配过盈量为0.035mm。整个分析过程中除了需要定义各种过盈装配,还需要定义N端和D端转子压圈与转子冲片之间的接触,以及部件单元表面的分布藕合约束等;同时为了模型收敛,还需要给定边界条件进行模型自由度约束,防止分析过程中出现刚体位移。通过对标准工艺装配过程进行分析,可以得到电机转子装配后的预应力,其转子剖面的应力云图如图所示。对齿轮做轴向剖解,其剖面在贯穿油孔的区域出现了区域性的应力集中,最大应力为668.3MPa,出现在齿轮倒椎前缘的过盈界面;其次应力集中的位置主要是惯孔节点,与周围单元应力梯度差异较大,第一个惯孔位置的应力为606.0MPa,第二个惯孔位置的应力为608.1MPa,两个贯穿油孔及相关区域的应力分布如图所示。转轴靠近D端的位置亦出现了较高的应力分布,其转轴的最大应力值为437.0MPa,出现在退刀槽对应的转轴与齿轮过盈接触的内表面,小于转轴的许用应力466.667MPa。转轴在过盈装配中的应力分布云图如图所示。


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