郭 峰, 賀涌濤, 張海鳳

(湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引 言

交流變頻電機(jī)在各個(gè)行業(yè)有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但由于變頻電機(jī)的載荷較復(fù)雜，容易導(dǎo)致各種故障出現(xiàn)。本文中的交流變頻電機(jī)轉(zhuǎn)子在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)多次發(fā)生端板斷齒現(xiàn)象，有的投入運(yùn)行僅3個(gè)月就發(fā)生斷齒現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)，影響了整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為了杜絕這一現(xiàn)象，本文從多方面查找故障原因，尋求解決問(wèn)題的方法。轉(zhuǎn)子端板在電機(jī)轉(zhuǎn)子中主要起到壓緊轉(zhuǎn)子沖片，控制齒部彈開(kāi)度[1]，使鐵心成為一體。轉(zhuǎn)子端板在工作時(shí)承受沖片壓緊的軸向力及自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，出現(xiàn)的斷齒問(wèn)題需要解決。

圖1 端板斷齒圖片

1 故障分析方法

由于端板在正常工作情況下僅承受軸向力和自身的離心力，其齒根部應(yīng)力為28.5MPa(見(jiàn)圖2)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，由此可以判斷，端板在實(shí)際工作中承受了除上述兩種載荷外的其他載荷。通過(guò)對(duì)端板材料硬度進(jìn)行檢測(cè)、齒部進(jìn)行金相分析，及極限載荷情況下結(jié)構(gòu)的機(jī)械分析，找到了故障原因。

圖2 端板正常載荷時(shí)仿真分析結(jié)果

1.1 材料硬度分析

在齒牙截面金相試樣上沿試樣表面往基體逐點(diǎn)進(jìn)行顯微維氏硬度的測(cè)試，硬度測(cè)試結(jié)果如圖3所示，硬度約100～110HV，屈服強(qiáng)度約為175MPa，材料的實(shí)測(cè)強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到Q235材料的要求。

圖3 失效件激光切割邊部-基體的硬度分布曲線

1.2 金相分析

端板為6mm厚的Q235板，齒部采用激光切割成形，通過(guò)齒部斷口[2]檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，激光切割表層有大量蝕溝，并在少量蝕溝底部能觀察到微裂紋，其抗疲勞斷裂性能大大降低。如圖4、圖5所示。

斷口分析結(jié)果表明端板屬于疲勞斷裂失效[3]，疲勞裂紋起始于齒根部激光切割表面，裂紋從兩側(cè)齒根部垂直板厚方向相對(duì)擴(kuò)展，最后斷于內(nèi)部。屬于非對(duì)稱(chēng)雙向彎曲疲勞斷裂(兩個(gè)方向彎曲應(yīng)力不對(duì)稱(chēng))，終斷區(qū)為正常的韌窩斷口。因?yàn)楦魇Ъ鹆盐恢镁鶠榻Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中位置，故斷裂主要是強(qiáng)度和應(yīng)力因素決定的。由此看來(lái)，引起端板疲勞斷裂的應(yīng)力主要為側(cè)向彎曲疲勞應(yīng)力，說(shuō)明使用過(guò)程中電機(jī)存在振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向彎曲應(yīng)力是導(dǎo)致端板疲勞斷裂的應(yīng)力因素。

圖4 齒根部表面微裂紋的形貌

圖5 激光切割邊部組織形貌

材料金相組織和硬度測(cè)試結(jié)果表明，失效件材料組織與未使用的對(duì)照件組織不同，失效件碳含量和硬度均明顯低于對(duì)照件，晶粒尺寸明顯大于對(duì)照件，特別是對(duì)照件激光切割表面有一層厚度約0.2mm的馬氏體硬化層，失效件沒(méi)有硬化層。材料強(qiáng)度較低和表面沒(méi)有硬化層，均是導(dǎo)致材料的抗疲勞斷裂能力下降的重要因素。

在失效件激光切割表面觀察到有較明顯的晶間蝕痕，局部觀察到有微裂紋，晶間蝕痕和微裂紋(特別是微裂紋)會(huì)大大增加局部的應(yīng)力集中，降低材料的疲勞抗力，是端板發(fā)生疲勞斷裂的重要因素。

1.3 仿真分析

在實(shí)際裝配過(guò)程中，由于累積誤差，使得本來(lái)不承受轉(zhuǎn)子導(dǎo)條離心力的端板齒部承受了轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的離心力，即圖6情況。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)該種極限情況進(jìn)行仿真分析[4]，其中轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端板齒部一側(cè)存在接觸，在離心力載荷作用下，承受轉(zhuǎn)子導(dǎo)條離心力的端板齒部應(yīng)力為474MPa(見(jiàn)圖7)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的屈服極限。若存在初始裂紋缺陷，則很容易造成裂紋擴(kuò)展，發(fā)生疲勞斷裂。

圖6 極限尺寸分析模型

圖7 極限情況下齒部應(yīng)力云圖

從ANSYS受力分析結(jié)果看，端板齒部在電機(jī)運(yùn)行中承受了導(dǎo)條的部分離心力，在高應(yīng)力區(qū)裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷齒現(xiàn)象。

2 優(yōu)化方法

通過(guò)上述幾個(gè)方面的分析，可以得出導(dǎo)致端板齒部斷裂的原因有以下三個(gè)方面： 一是材料本身強(qiáng)度的降低；二是齒部采用激光成形時(shí)對(duì)齒部

造成的初始缺陷；三是端板在運(yùn)行時(shí)承受了額外的附加載荷。針對(duì)這幾個(gè)原因，采取了如下措施解決端板斷齒問(wèn)題：

(1) 將端板的材料由普通的碳素鋼改為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，提高了材料的強(qiáng)度，從而提高材料的疲勞強(qiáng)度；

(2) 改變了端板齒部的加工方式，避免了初始缺陷的形成，由原來(lái)的激光成形改為沖壓成形；

(3) 為了避免端板齒部在運(yùn)行過(guò)程中承受額外的離心載荷，將齒寬的尺寸公差適當(dāng)放大，避免了導(dǎo)條與齒部的接觸，則齒部在運(yùn)行時(shí)僅承受自身的離心力，其應(yīng)力水平較低，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

通過(guò)幾個(gè)方面的優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的產(chǎn)品已投入運(yùn)行5年沒(méi)有發(fā)生斷齒現(xiàn)象，徹底解決了端板的斷齒問(wèn)題。該種優(yōu)化方案目前在產(chǎn)品上得到大量的應(yīng)用，效果很好。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)子端板斷齒這一現(xiàn)象，通過(guò)仿真分析及實(shí)物檢測(cè)分析等手段，確定了斷齒的原因?yàn)槠跀嗔眩饕蚴驱X根部存在初始缺陷及運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生附加載荷。通過(guò)反復(fù)的分析及計(jì)算，確定了優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)齒寬公差尺寸的適當(dāng)放大及齒部成形方法的改變，并將材料改成優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，減少材料本身的缺陷，最終徹底解決了端板斷齒問(wèn)題。目前，這一優(yōu)化方案在產(chǎn)品上應(yīng)用情況良好，電機(jī)運(yùn)行5年無(wú)一臺(tái)斷齒現(xiàn)象發(fā)生。

【參考文獻(xiàn)】

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[2] 朱智陽(yáng),董慶慶.減速箱齒輪軸斷齒失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2011(47)： 175-177.

[3] 陳君才.金屬構(gòu)件失效分析[M].成都： 成都科技大學(xué)出版社,1987.

[4] 洪慶章,劉清吉,郭嘉源.ANSYS教學(xué)范例[M].北京： 中國(guó)鐵道出版社,2002.