喬建偉

(臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽(yáng)473008)

?

電動(dòng)機(jī)外風(fēng)扇安裝螺栓分析

喬建偉

(臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司，河南南陽(yáng)473008)

摘要簡(jiǎn)要介紹了YXKK315-630電動(dòng)機(jī)外風(fēng)扇的基本數(shù)據(jù)、受力情況分析、螺栓強(qiáng)度計(jì)算、螺栓松動(dòng)后的狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)裝配工具條件及螺栓預(yù)緊力矩，最后通過(guò)分析得出螺栓斷裂的關(guān)鍵原因，并提出了解決螺栓斷裂的措施。

關(guān)鍵詞強(qiáng)度；電動(dòng)機(jī)；外風(fēng)扇；螺栓

0引言

2014年我公司成功開(kāi)發(fā)了YXKK315-630系列高壓高效箱式三相異步電動(dòng)機(jī),在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)外風(fēng)扇時(shí),考慮老式結(jié)構(gòu)外風(fēng)扇帶軸套且軸套與軸過(guò)盈配合[1],在外風(fēng)扇安裝或拆卸時(shí)需要加熱，操作不方便,因此采用不帶軸套、直接把外風(fēng)扇固定在軸上的結(jié)構(gòu)，以便于拆卸。由于電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的工況復(fù)雜、條件惡劣，如環(huán)境潮濕、灰塵大、過(guò)載系數(shù)高、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等，這就要求電動(dòng)機(jī)具有可靠性更高、適應(yīng)環(huán)境更強(qiáng)等特點(diǎn)。2015年3月，我公司一臺(tái)YXKK560-6電動(dòng)機(jī)在西北某工廠(chǎng)接連兩次發(fā)生外風(fēng)扇安裝螺栓斷裂故障，通過(guò)對(duì)該規(guī)格電動(dòng)機(jī)外風(fēng)扇安裝螺栓的受力情況及螺栓強(qiáng)度的分析研究，并根據(jù)研究結(jié)果制定了解決方案。

1外風(fēng)扇基本數(shù)據(jù)

YXKK315-630系列高壓高效箱式三相異步電動(dòng)機(jī)外風(fēng)扇是整體鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由風(fēng)扇內(nèi)外板、扇葉、導(dǎo)風(fēng)筒、平衡柱組成[2、3]，零部件焊接后進(jìn)行精加工和高速動(dòng)平衡，外風(fēng)扇與主軸用安裝螺栓固定，外風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

基本數(shù)據(jù)：型號(hào)：YXKK560-6；額定功率：PN=900kW；額定電壓：UN=10000V；外風(fēng)扇外徑：D=φ890mm；外風(fēng)扇內(nèi)徑：D1=φ550mm；外風(fēng)扇平衡直徑：D2=φ780mm；外風(fēng)扇安裝螺栓：M12×30(12.9級(jí))；外風(fēng)扇安裝螺栓孔節(jié)圓：d=φ110mm；外風(fēng)扇重量：m=64kg；外風(fēng)扇同步轉(zhuǎn)速：n=1000r/min；外風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：I=7.2kg.m2；外風(fēng)扇損耗功率：P=11.8kW(根據(jù)電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)得出)。

2外風(fēng)扇受力情況分析

2.1外風(fēng)扇慣性矩受力

電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和停止過(guò)程中，由于外風(fēng)扇慣性影響，外風(fēng)扇將承受慣性矩，計(jì)算公式如下

由慣性矩M=Iα=fd/2

可以推出安裝孔節(jié)圓處的切向力

f=2M/d=2Iα/d

式中，M—慣性矩；f—切向力；α—角速度。

(1)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程，假設(shè)空載起動(dòng)時(shí)間t1=10s，起動(dòng)過(guò)程為勻加速，則

同步角速度

ω=2πn/60=2×3.14×1000/60=105(rad/s)

角速度α1=ω/t1=105/10=10.5(rad/s2)

慣性矩M1=Iα1=7.2×10.5=75.6(Nm)

外風(fēng)扇安裝節(jié)圓處的切向力

f1=2M1/d=2×75.6/0.11=1375(N)

(2)電動(dòng)機(jī)驟停過(guò)程，假設(shè)停轉(zhuǎn)時(shí)間t2=1s，停止過(guò)程為勻減速，則

角速度α2=ω/t2=105/1=105(rad/s2)

慣性矩M2=Iα2=7.2×105=756(Nm)

風(fēng)扇安裝節(jié)圓處的切向力

f2=2M2/d=2×756/0.11=13745(N)

2.2外風(fēng)扇工作受力

風(fēng)扇做功所需功率P∝n3，故電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩T=9550P/n，風(fēng)扇所需轉(zhuǎn)矩T∝n2，故電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)，外風(fēng)扇所需轉(zhuǎn)矩最大，此時(shí)外風(fēng)扇安裝孔處承受的切向力f3也最大[4]，由f3=2T/d可以計(jì)算外風(fēng)扇做功時(shí)安裝孔節(jié)圓處承受的最大切向力。

風(fēng)扇安裝節(jié)圓處的切向力

f3=2T/d=2×9550P/(nd)

=2×9550×11.8/(1000×0.11)

=2049(N)

2.3外風(fēng)扇沖量矩受力

理想狀態(tài)下風(fēng)扇質(zhì)心在軸心線(xiàn)上，作用力無(wú)力臂，外風(fēng)扇不受沖量矩。但實(shí)際中外風(fēng)扇存在不平衡質(zhì)量m1，不平衡質(zhì)量的存在，使風(fēng)扇承受沖量矩△P。

沖量矩△P=m1v

式中，v—不平衡質(zhì)量點(diǎn)線(xiàn)速度。

企標(biāo)QNF509—1997中規(guī)定，該外風(fēng)扇許用不平衡量G×r=4500g·mm。由△P=m1v及v=ωr，可以推出△P=ωm1r=ω(G×r)/106，故△P=Ft，可以推出不平衡質(zhì)量點(diǎn)處切向力F=△P/t=ω(G×r)/(t×106)。

根據(jù)力矩平衡原理，可以得到FD2=fd，由不平衡質(zhì)量引起的安裝節(jié)圓處切向力f=FD2/d=D2ω(G×r)/(td×106)。

(1)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程，假設(shè)空載起動(dòng)時(shí)間t1=10s，起動(dòng)過(guò)程為勻加速，則

沖量距△P=ω(G×r)/106=105×4500/106=0.473(Nm)

不平衡質(zhì)量點(diǎn)處切向力F1=△P/t1=0.47/10=0.047(N)

風(fēng)扇安裝節(jié)圓處的切向力f4=F1D2/d=0.047×780/110=0.335(N)

(2)電動(dòng)機(jī)驟停過(guò)程，假設(shè)停轉(zhuǎn)時(shí)間t2=1s，停止過(guò)程為勻減速，則

沖量矩△P=ω(G×r)/106=105×4500/106=0.473(Nm)

不平衡質(zhì)量點(diǎn)處切向力F2=△P/t2=0.47/1=0.473(N)

外風(fēng)扇安裝節(jié)圓處的切向力f5=F2D2/d=0.047×780/110=3.35(N)

沖量矩在外風(fēng)扇安裝節(jié)圓處產(chǎn)生的切向力很小，安裝孔節(jié)圓處的切向力可以忽略此項(xiàng)。

2.4外風(fēng)扇受離心力

外風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)承受離心力，離心力作用方向?yàn)閺较?，考慮外風(fēng)扇與軸風(fēng)扇臺(tái)配合間隙遠(yuǎn)小于安裝螺栓與安裝孔的間隙(安裝孔位置偏差異常的情況不考慮)，離心力由軸風(fēng)扇臺(tái)承受，安裝孔不承受離心力[5]。

2.5最大靜摩擦力

最大靜摩擦力fmax=μFn

式中，μ—靜摩擦系數(shù)，本例中μ=0.15；Fn—正壓力，本例中等同于外風(fēng)扇安裝時(shí)螺栓的預(yù)緊力。螺栓預(yù)緊力越大，外風(fēng)扇的最大靜摩擦力越大。

最大靜摩擦力與上述分析的4種力屬性不同，上述4種力可以歸屬為作用力，而最大靜摩擦力為反作用力，靜摩擦力用于抵消上述4種力的合力作用。只有最大靜摩擦力大于上述4力合力時(shí)，才能防止外風(fēng)扇相對(duì)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.6外風(fēng)扇受力情況綜述

通過(guò)上述分析，外風(fēng)扇安裝孔處所承受的切向力主要為慣性矩產(chǎn)生的切向力和外風(fēng)扇工作時(shí)產(chǎn)生的切向力[6]，最大切向合力(電動(dòng)機(jī)由同步轉(zhuǎn)速突然降速的瞬間)f=f2+f3=15794N。

按照設(shè)計(jì)要求fmax≥f，可以計(jì)算安裝螺栓所需的最小預(yù)緊力Fn≥f/μ=105kN。若外風(fēng)扇有6個(gè)安裝螺栓，一個(gè)螺栓的平均預(yù)緊力至少為17.5kN。

3螺栓強(qiáng)度計(jì)算

3.1不同強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力計(jì)算

螺栓預(yù)緊力F0=(0.5～0.7)σsAs

式中，σs—螺栓材料的屈服極限，N/mm2(MPa)，σs可查GB/T3098.1—2000中表3螺栓、螺釘和螺柱的機(jī)械和物理性能獲得；As—螺紋危險(xiǎn)截面的截面積，mm2，As可查GB/T3098.6—2000中附錄A表A1螺紋的應(yīng)力截面積獲得。

下面以4.8級(jí)、8.8級(jí)、12.9級(jí)三種強(qiáng)度和M12、M16兩種規(guī)格，共6種規(guī)格螺栓分別計(jì)算單個(gè)螺栓的最小預(yù)緊力F0，并與2.6中計(jì)算的平均預(yù)緊力17.5kN比較，判斷螺栓的預(yù)緊力是否能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.8級(jí)M12螺栓的最小預(yù)緊力F0=0.5×300×84.3=12.6kN≤17.5kN，該規(guī)格螺栓不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

8.8級(jí)M12螺栓的最小預(yù)緊力F0=0.5×640×84.3=26.9kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

12.9級(jí)M12螺栓的最小預(yù)緊力F0=0.5×1080×84.3=45.5kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.8級(jí)M16螺栓的最小預(yù)緊力F0=0.5×300×157=23.5kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

8.8級(jí)M16螺栓的最小預(yù)緊力F0=0.5×640×157=50.2kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

12.9級(jí)M16螺栓的最小預(yù)緊力F0=0.5×1080×157=84.7kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)螺栓最小預(yù)緊力的計(jì)算說(shuō)明：在理想狀態(tài)下，除4.8級(jí)M12的螺栓不能滿(mǎn)足要求外，其余5種規(guī)格均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在最壞的情況下，僅單個(gè)螺栓受力，上述6種規(guī)格均不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2螺栓剪切應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，螺栓材料的許用切應(yīng)力[τ]=σs/2.5 ，則3種強(qiáng)度螺栓的[τ]分別為120MPa、256MPa和432MPa。假設(shè)只有單個(gè)螺栓受剪切力，計(jì)算螺栓的剪切應(yīng)力τ=f/As，并與許用切應(yīng)力[τ]比較，判斷螺栓強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。

8.8級(jí)M12螺栓的剪切應(yīng)力τ=15794/84.3=187MPa≤256MPa，該規(guī)格螺栓強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.8級(jí)M16螺栓的剪切應(yīng)力τ=15794/157=101MPa≤120MPa，該規(guī)格螺栓強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)螺栓剪切應(yīng)力的計(jì)算說(shuō)明，在外風(fēng)扇自身產(chǎn)生的剪切力作用下，只要安裝一個(gè)8.8級(jí)M12螺栓或4.8級(jí)M16的螺栓即可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)。

3.3結(jié)論

經(jīng)過(guò)3.1和3.2的分析計(jì)算，外風(fēng)扇與軸未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，外風(fēng)扇采用8.8級(jí)的M12螺栓或4.8級(jí)M16的螺栓即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由以上計(jì)算說(shuō)明，外風(fēng)扇安裝螺栓斷裂是發(fā)生在螺栓松動(dòng)后，以下將分析螺栓松動(dòng)后的狀態(tài)。

4外風(fēng)扇螺栓松動(dòng)后的狀態(tài)

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ir=122kgm2，由2.1慣性矩受力分析中可知，驟停過(guò)程，慣性矩大，先假設(shè)一個(gè)驟停過(guò)程，假設(shè)停轉(zhuǎn)時(shí)間t2=1s，停止過(guò)程為勻減速。

在此假設(shè)狀態(tài)中，由于外風(fēng)扇安裝螺栓松動(dòng)，轉(zhuǎn)子又降速極快，我們可以認(rèn)為此過(guò)程為外風(fēng)扇對(duì)轉(zhuǎn)子的堵轉(zhuǎn)過(guò)程，且風(fēng)扇不受靜摩擦?xí)r，外風(fēng)扇的空間位置未發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩全部由外風(fēng)扇安裝螺栓承受，則

角速度α2=ω/t2=105/1=(105rad/s2)

慣性矩M3=Irα2=122×105=12810(Nm)

風(fēng)扇安裝節(jié)圓處的切向力f6=2M3/d=2×12810/0.11=232909(N)

在剪切力f6的作用下，計(jì)算螺栓的剪切應(yīng)力

M12螺栓的剪切應(yīng)力τ=232909/84.3=2763MPa≥432MPa(12.9級(jí))，該規(guī)格螺栓強(qiáng)度不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

M16螺栓的剪切應(yīng)力τ=232909/157=1483MPa≥432MPa(12.9級(jí))，該規(guī)格螺栓強(qiáng)度不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

下面進(jìn)行逆向運(yùn)算，求解12.9級(jí)螺栓的螺紋危險(xiǎn)截面的截面積As。為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求As≥f6/[τ]=539mm2，查GB/T3098.6—2000中附錄A表A1螺紋的應(yīng)力截面積,按As≥539mm2，我們需要選用M30的螺栓。

若停轉(zhuǎn)時(shí)間t2延長(zhǎng)為2s，則f6=109773N，As≥270mm2(12.9級(jí))，我們需要選用M24的螺栓。

若停轉(zhuǎn)時(shí)間t2延長(zhǎng)為5s，則f6=43909N，As≥108mm2(12.9級(jí))，我們需要選用M16的螺栓,此過(guò)程可以認(rèn)為等同于空載起動(dòng)。

若停轉(zhuǎn)時(shí)間t2延長(zhǎng)為10s，則f6=21955N，As≥54mm2(12.9級(jí))，我們需要選用M10的螺栓,此過(guò)程可以認(rèn)為等同于輕載起動(dòng)。

通過(guò)上述假定條件計(jì)算，我們可以得出這樣的結(jié)果：在電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)時(shí)間一般在5s以?xún)?nèi)，若螺栓松動(dòng)或螺栓預(yù)緊力不夠的情況下，12.9級(jí)的M12螺栓將會(huì)被剪斷。

5現(xiàn)場(chǎng)裝配工具條件及螺栓預(yù)緊力矩

5.1螺栓安裝用風(fēng)槍基本情況

裝配現(xiàn)場(chǎng)使用的風(fēng)槍型號(hào)為F323-48，空載轉(zhuǎn)速8500r/min，耗氣量119L/min，自由轉(zhuǎn)速800r/min，最大扭力647Nm，工作壓力6.3kg/cm2(相當(dāng)于0.62MPa)，4擋速度調(diào)節(jié)，正逆轉(zhuǎn)換。

裝配現(xiàn)場(chǎng)氣源壓力5kg/cm2(相當(dāng)于0.5MPa)，小于風(fēng)槍工作壓力，估計(jì)風(fēng)槍最大扭力將會(huì)下降為513Nm。

5.2外風(fēng)扇安裝螺栓所需要的預(yù)緊力矩

螺栓預(yù)緊力矩M=0.2FD

式中,F—螺栓預(yù)緊力，N；D—螺栓直徑，m。

下面通過(guò)分析2.6、3.1中的計(jì)算數(shù)據(jù)，我們分別計(jì)算一下M12和M16螺栓所需要的預(yù)緊力矩。

(1)滿(mǎn)足風(fēng)扇安裝所需最小預(yù)緊力要求的螺栓預(yù)緊力矩M

對(duì)M12的螺栓，預(yù)緊力矩M=0.2×17.5×12=42(Nm)，比較5.1中風(fēng)槍扭力，滿(mǎn)足此預(yù)緊力矩要求很容易。

(2)滿(mǎn)足12.9級(jí)螺栓安裝所需最小預(yù)緊力要求的螺栓預(yù)緊力矩M

對(duì)M12的螺栓，預(yù)緊力矩M=0.2×45.5×12=109Nm，比較5.1中風(fēng)槍扭力，可以滿(mǎn)足此預(yù)緊力矩要求。

對(duì)M16的螺栓，預(yù)緊力矩M=0.2×84.7×16=271Nm，比較5.1中風(fēng)槍扭力，可以滿(mǎn)足此預(yù)緊力矩要求。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，我們可以得出螺栓松動(dòng)是導(dǎo)致螺栓斷裂的關(guān)鍵原因，解決螺栓斷裂問(wèn)題的關(guān)鍵在于解決螺栓松動(dòng)問(wèn)題。鑒于此，提出以下三條改進(jìn)措施：(1)加長(zhǎng)安裝螺栓的連接長(zhǎng)度，通過(guò)增加螺紋接觸面積防松，螺紋連接的有效長(zhǎng)度建議按2倍螺紋直徑選用；(2)安裝螺栓由M12改為M16；(3)增加外風(fēng)扇安裝螺栓裝配要求，螺栓安裝時(shí)要求分兩次緊固，安裝時(shí)，調(diào)整風(fēng)槍檔位。例如安裝12.9級(jí)M16螺栓時(shí)，初次緊固時(shí)采用一個(gè)扭力150Nm(相當(dāng)于0.5M)左右的檔位；再次緊固時(shí)，采用一個(gè)扭力300Nm(相當(dāng)于M)左右的檔位。經(jīng)過(guò)以上三項(xiàng)措施的實(shí)施，我公司生產(chǎn)的YXKK315-630系列高壓高效箱式三相異步電動(dòng)機(jī)外風(fēng)扇安裝螺栓沒(méi)有再次發(fā)生斷裂，現(xiàn)在正安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]李賢明,王同章,周平.大功率高速電動(dòng)機(jī)高效率低噪聲離心風(fēng)扇的研究與設(shè)計(jì)[J].防爆電機(jī),2005,(1):9-11.

[2]孟大偉，龐向東，潘波.YKK系列高效高壓三相異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,(04):31-35.

[3]汪書(shū)蘋(píng),趙爭(zhēng)鳴,馮徑.YKK355～630系列高壓三相異步電動(dòng)機(jī)高效風(fēng)扇的設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2009,(1):9-12.

[4]鄭國(guó)麗,周黎民,鄧堯強(qiáng),等.高效電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2015,(4):62-65.

[5]李顯明，黃魯斌，張傳林，等.大中型高壓電動(dòng)機(jī)空_空冷卻器設(shè)計(jì)[J].大電機(jī)技術(shù),2003,2(6):31-33.

[6]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004: 7-10.

AnalysisontheMountingBoltofMotorExternalFan

Qiao Jianwei

(WolongElectricNanyangExplosionProtectionGroupCo.,LtdNanyang473008,China)

AbstractAnalysisonbasicdataandforcesituation,calculationofthemountingboltstrength,conditionafterbootlooseness,on-siteassemblytoolandboltpretighteningtorqueofexternalfanofYXKK315-630arebrieflyintroducedinthispaper,keyreasonwhyboltbreakdownisfinallyobtainedbasedonanalysis,andmeasurestosolveboltbreakdownareproposed.

KeywordsStrength；motor；externalfan；bolt

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.13

中圖分類(lèi)號(hào)：TM303

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)03-0040-004

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)探▊ツ?975年生；畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院電機(jī)電器及其控制專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事高壓電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).

收稿日期：2016-01-18