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        兩種交流牽引電機(jī)焊接機(jī)座沖片疊壓靜強(qiáng)度有限元分析

        2015-12-02 01:37:56中車株洲電機(jī)有限公司湖南412001肖連新
        金屬加工(冷加工) 2015年22期
        關(guān)鍵詞:沖片端板B型

        ■中車株洲電機(jī)有限公司(湖南 412001)肖連新

        ■成都中車電機(jī)有限公司(四川 610051)呂 政 高云霞 趙琬倩

        全疊片電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單和維護(hù)方便等特點(diǎn)。采用無機(jī)殼全焊接復(fù)合結(jié)構(gòu),不僅減輕了整個電機(jī)的質(zhì)量,而且很好地改善了定子的散熱條件和磁路的均勻性,增強(qiáng)電機(jī)使用的可靠性,避免電機(jī)磁路的局部飽和。

        1.A型牽引電機(jī)定子制造中存在的問題

        本文所述定子鐵心由國內(nèi)某電機(jī)生產(chǎn)商制造生產(chǎn),所采用的材料和設(shè)備如表1所示。

        定子鐵心主要生產(chǎn)工藝流程:定子鐵心的壓裝→打底焊(一次焊)→脫?!魏附印蚰ズ缚p后探傷→去氫處理280℃,保溫8h→表面噴丸處理;壓裝工藝流程:機(jī)座清洗(去油污和毛刺)→上壓圈、定位槽桿→放定子端板和固定塊→上壓圈、平鐵心上緊螺栓→(850±50)kN模壓→緊固定位板吊鐵心送檢。疊片方式以沖片內(nèi)圓為基準(zhǔn),采用內(nèi)圓定位筒加六根槽樣棒定位的方式進(jìn)行沖片疊壓,疊壓系數(shù)為0.97,疊裝壓力為(850±50)kN。

        按定子鐵心主要生產(chǎn)工藝流程,在進(jìn)行兩道焊接后拆除緊固螺栓檢查時無一例外的是:定子鐵心兩端第一片槽口沖片出現(xiàn)了不同程度的凸片問題,如圖1所示。

        表1 定子生產(chǎn)所用材料和設(shè)備名稱

        電機(jī)運(yùn)行時,由于槽口部分所受電場最強(qiáng),一旦出現(xiàn)凸片現(xiàn)象,定子線圈的絕緣層將會有破損的風(fēng)險,從而導(dǎo)致電機(jī)失效。本文對表2所述的三種模型進(jìn)行了ANSYS分析,著重分析了端板處和第一片沖片的應(yīng)力應(yīng)變情況,為后續(xù)的工藝優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

        圖1 定子疊片第一片凸出的示意圖

        表2 ANSYS分析模型編號

        2.ANSYS模擬分析

        (1)有限元模型的建立。定子端板所用的材料為冷軋鋼板ST12,密度為7800kg/m3,彈性模量為210GPa,泊松比0.3;沖片采用硅鋼片,密度為7650 kg/m3,彈性模量為200GPa,泊松比為0.27。為了優(yōu)化分析步驟,在不影響分析結(jié)果的情況下,對上述壓裝模型做了相應(yīng)的簡化:①機(jī)座刪除了所有螺栓孔特征,但保留了沖片通風(fēng)孔。②刪去四片筋板和個別重量所占比重小且為非對稱的小部件。③不關(guān)心部分倒角、槽削等特征。④為了節(jié)約計算時間,沖片只保留了前后兩段各3片(共計6片),只創(chuàng)建1/4模型,并刪去了部分與本文無關(guān)的非對稱結(jié)構(gòu)。其簡化后的模型如圖2所示。

        從圖2兩定子結(jié)構(gòu)示意圖可以清楚的看出,定子機(jī)座壓圈的結(jié)構(gòu)存在很大的差異。圖2a中,壓圈呈“L”形,圖2b中呈平行四邊形。兩種結(jié)構(gòu)的差異引起模壓裝配過程中整體結(jié)構(gòu)的受力分布情況差別明顯。為了進(jìn)一步分析研究兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)在定子疊壓過程中的受力,本文對A型、B型兩種結(jié)構(gòu)的三種結(jié)構(gòu)設(shè)計的電機(jī)進(jìn)行ANSYS分析。

        圖2 電機(jī)簡化后定子組裝幾何模型

        (2)網(wǎng)絡(luò)模型和邊界約束條件的建立。A型電機(jī)定子有限元模型中單元總數(shù):41638,節(jié)點(diǎn)總數(shù):346271,機(jī)座的全局網(wǎng)格尺寸為30mm,局部網(wǎng)格尺寸為20mm。整體網(wǎng)格采用六面體的方式劃分,整體網(wǎng)格劃分效果如圖3所示。

        圖3 A型定子網(wǎng)格劃分和扭曲網(wǎng)格分布

        由圖3可以看出,質(zhì)量較差的網(wǎng)格主要分布在端板處,占總體網(wǎng)格的2.4%,如表3所示。

        B型電機(jī)定子有限元模型中單元總數(shù):13021,節(jié)點(diǎn)總數(shù):105130,機(jī)座的全局網(wǎng)格尺寸為30mm,局部網(wǎng)格尺寸為20mm。整體網(wǎng)格采用六面體的方式劃分,整體網(wǎng)格劃分效果如圖4所示。

        表3 網(wǎng)格單元數(shù)

        由圖4可以看出,質(zhì)量較差的網(wǎng)格也主要分布在端板處,占總體網(wǎng)格的3.8%,如表4所示。

        圖4 B型定子網(wǎng)格劃分和扭曲網(wǎng)格分布

        表4 網(wǎng)格單元數(shù)

        (3)邊界條件。根據(jù)沖片疊壓的工裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選取后壓圈的支座底部為全約束,使其定子組裝固定,定子前壓圈承受137.5kN沖壓力的作用。接觸算法采用罰函數(shù)法,計算公式為

        式中,KN表示法向接觸剛度;Χ表示穿透深度。

        額外接觸力λ采用擴(kuò)展拉格朗日法,計算公式為

        相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示,整體加載效果如圖5所示。

        表5 機(jī)座加載、受力邊界條件

        圖5 定子邊界條件

        3.有限元計算結(jié)果

        應(yīng)用ANSYS軟件分析了A型兩種(端板厚度3mm和6mm)和B型電機(jī)整個壓裝工藝受力情況,如圖6所示。

        結(jié)果可以看出,A型電機(jī)最大應(yīng)力如圖6a、圖6b所示,應(yīng)力最大值位于前壓圈通風(fēng)孔處,最大應(yīng)力為57.9MPa,滿足強(qiáng)度要求。B型電機(jī)整體應(yīng)力云圖如圖6c所示,應(yīng)力最大值位于壓圈與端板交接處,最大應(yīng)力為20MPa。三種工況整體模型最大應(yīng)力對比分析如表6所示。對比三種設(shè)計結(jié)構(gòu)的兩種型號電機(jī)ANSYS應(yīng)力分析,可知B型電機(jī)最大應(yīng)力是A型電機(jī)值的一半,設(shè)計結(jié)構(gòu)最優(yōu)。對于A型電機(jī),6mm端板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值略小于3mm端板結(jié)構(gòu),端板厚度增加,剛度增加,減小了通風(fēng)口的應(yīng)力集中。

        圖6 電機(jī)整體應(yīng)力云圖

        表6 三種工況整體模型最大應(yīng)力對比分析

        為了進(jìn)一步研究端板設(shè)計對于整個焊接機(jī)座沖片的定子疊壓情況,取臨端板的第一片沖片進(jìn)行了ANSYS位移云圖分析,如圖7所示。

        圖7 電機(jī)端板前第一片沖片位移云圖

        三種工況第一片沖片變形分析值如表7所示,由圖7a、圖7b可以看出,A型電機(jī)兩種工況齒槽處位移云圖發(fā)生明顯變化,采用6mm厚端板的第一片沖片位移變化量是3mm端板的一半。而B型電機(jī),沖片第一片位移比A型的兩種結(jié)構(gòu)小一個數(shù)量級,幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        表7 三種工況第一片沖片變形對比分析

        4.結(jié)語

        通過ANSYS靜強(qiáng)度有限元分析,可以認(rèn)為B型結(jié)構(gòu)電機(jī)的設(shè)計優(yōu)于A型電機(jī)。B型電機(jī)的定子疊壓過程中,整體受力均勻,最大應(yīng)力值明顯小于A型兩種結(jié)構(gòu)。B型電機(jī)端板處第一片沖片的位移量小于A型電機(jī)一個數(shù)量級,整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最優(yōu)。建議設(shè)計電機(jī)時,采用類似于B型電機(jī)的設(shè)計結(jié)構(gòu),可以有效地避免在后續(xù)疊片焊接后的應(yīng)力釋放造成的臨端板第一片沖片的凸出現(xiàn)象。

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