任曉輝, 許曉亮, 陳薦英, 王宇航

中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016)

0 引 言

隨著軌道交通車輛向高速、重載方向發(fā)展，對產(chǎn)品可靠性、舒適性要求愈加嚴格。牽引電機作為關(guān)鍵性設(shè)備，其運行性能直接影響列車性能，是軌道交通車輛發(fā)展的基礎(chǔ)。軌道牽引電機在運行中轉(zhuǎn)速波動大，轉(zhuǎn)子需承受變化幅度大的交變載荷，易發(fā)生導(dǎo)條斷條、斷齒等轉(zhuǎn)子端部故障。轉(zhuǎn)子端部穩(wěn)定性受幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、加工工藝等隨機因素影響，如何保障端部設(shè)計要求，增強導(dǎo)條懸臂剛度，降低端部故障，提升端部緊固工藝是設(shè)計人員需要攻克的難點[1]。已有文獻針對轉(zhuǎn)子端部結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了較為深入的研究，文獻[2]對轉(zhuǎn)子槽口深度與槽配合對電機性能影響展開研究；文獻[3]對異步牽引電機鐵心開展各項異性等效參數(shù)識別，獲得有效鐵心仿真模型；文獻[4]對導(dǎo)條性狀影響電機性能開展分析；文獻[5]通過斷口檢測分析與導(dǎo)條受力計算分析鼠籠式端部轉(zhuǎn)子斷條故障，明確導(dǎo)條漲緊狀態(tài)為故障來源；文獻[6]討論了轉(zhuǎn)子故障的修復(fù)工藝，將漲緊列為修復(fù)必要工序，同時對漲緊工裝與工藝參數(shù)進行了約束。此外，還開展了漲緊具體實施過程與影響研究：如何實現(xiàn)漲緊自動化與多樣化[7-9]、導(dǎo)條漲緊不良影響等[10-12]。這些研究均表明導(dǎo)條漲緊的重要性，但沒有深入分析漲緊方案與槽內(nèi)導(dǎo)條結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)性。

漲緊是通過對轉(zhuǎn)子導(dǎo)條施加外部徑向力使導(dǎo)條尤其是導(dǎo)條頂部產(chǎn)生塑性變形緊貼鐵心槽口位置，從而將導(dǎo)條緊固于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，提高轉(zhuǎn)子導(dǎo)條抵抗離心力、電磁力等復(fù)合作用力能力，增強轉(zhuǎn)子端部穩(wěn)定性，降低導(dǎo)條松動或是斷條風險，提升電機運行可靠性。

本文應(yīng)用有限元分析方法對不同導(dǎo)條漲緊方案開展對比研究，建立對當前導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的受力影響對比，初步了解到牽引電機導(dǎo)條壓槽彈-塑變化與漲緊參數(shù)敏感度關(guān)系，從而獲得導(dǎo)條緊固工藝改善依據(jù)，為設(shè)計合理轉(zhuǎn)子槽型及新產(chǎn)品工藝方案提供了參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 材料彈塑性理論

實際結(jié)構(gòu)中，材料處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，當結(jié)構(gòu)受力超過屈服極限時，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系，并產(chǎn)生不可逆變形，卸載后出現(xiàn)殘余應(yīng)變現(xiàn)象，則其變形為彈塑性變形，包含彈性變形與塑性變形。常規(guī)金屬材料在線性彈性范圍內(nèi)，外力、應(yīng)力、應(yīng)變等各量間成線性關(guān)系；材料進入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力、應(yīng)變等成非線性關(guān)系，而且不一一對應(yīng)。采用彈塑性設(shè)計，使結(jié)構(gòu)的總體受力處于彈性狀態(tài)，局部區(qū)域允許進入塑性狀態(tài)，既保證高的總體性能，又保證安全可靠。

塑性變形是由剪應(yīng)力(偏應(yīng)力)所造成的原子平面的滑動引起。這種錯位移動本質(zhì)上是原子在晶體結(jié)構(gòu)重新排列，造成卸載后不可恢復(fù)的應(yīng)變或永久變形。材料進入塑性階段后，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變得復(fù)雜，難以用簡單的解析表達式將σ-ε(σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變)試驗曲線精確描繪出來。在實際的理論分析與工程計算中會依據(jù)結(jié)構(gòu)特點進行適當簡化[13]，對于線性強化材料，整個曲線分為2段，在彈性階段ε≤εs時，材料呈線性彈性，服從胡克定律，σ=Eε；當ε≥εs時，材料進入線性應(yīng)變強化階段，σ-σs=ET(ε-εs)。其中，ET為強化曲線斜率，一般材料的ET比彈性模量E小得多。即:

(1)

材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線工程簡化示意圖如圖1所示。

圖1 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線工程簡化示意圖

1.2 有限元理論基礎(chǔ)

有限元方法，也稱為有限單元法，是解決工程和數(shù)學(xué)、物理問題的數(shù)值方法，基本概念就是將復(fù)雜的物理對象進行離散化，再采用基于子域的試函數(shù)描述；通過對所有子域誤差的加權(quán)集成處理來建立整體系統(tǒng)的分析方程，再利用計算機強大的數(shù)值處理能力，就可以對任意復(fù)雜的問題進行數(shù)值求解。

在線性靜力結(jié)構(gòu)分析當中，位移矢量{x}可通過矩陣方程得到:

[K]{x}={F}。

(2)

式中：剛度[K]為連續(xù)的，材料為線彈性材料。非線性靜態(tài)分析中,剛度[K]依賴于位移{x}，不再是常量[K(x)]{x}={F},即非線性求解需要反復(fù)迭代以獲得精確解。

ANSYS Workbench塑性計算中的雙線性隨動強化模型(包含Bauschinger 效應(yīng))，常用于大應(yīng)變分析，描述為雙線性有效應(yīng)力與有效應(yīng)變曲線。曲線的初始斜率等于材料的楊氏模量。超過規(guī)定的屈服強度值，塑性應(yīng)變發(fā)展沿切線模量(ET)定義的斜率直線繼續(xù)。切線模量不能小于零或大于彈性模量。

2 研究過程

2.1 仿真方案

異步牽引電機主要由定子和轉(zhuǎn)子2部分組成，轉(zhuǎn)子通常采用導(dǎo)條式鼠籠型結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、端環(huán)、壓板等零部件組成。為了確保高速旋轉(zhuǎn)時的安全，保障轉(zhuǎn)子端部強度與剛度，在端環(huán)外周有時設(shè)有護環(huán)結(jié)構(gòu)進行保護。圖1為某型牽引電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)子銅導(dǎo)條漲緊工序是電機生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，工藝實踐中是通過前端帶有沖頭的沖撞機對轉(zhuǎn)子槽口導(dǎo)條頂面進行沖撞漲型。以某款牽引電機轉(zhuǎn)子為分析對象，導(dǎo)條截面形式為梯形，開展不同漲型接頭、不同漲型深度的漲緊研究。導(dǎo)條漲緊方案如圖3所示。

圖3 導(dǎo)條漲緊方案

考慮在沖頭作用下導(dǎo)條的彈塑性變化情況，將沖頭按剛性體設(shè)置，載荷為強制位移載荷。材料的真實塑性行為是比較復(fù)雜的，若是要通過仿真得到比較準確的計算結(jié)果，準確的本構(gòu)模型非常關(guān)鍵。根據(jù)導(dǎo)條與鐵心裝配特征，按前述分析進行彈塑性工程計算簡化，材料參數(shù)定義中，對鐵心和導(dǎo)條采用雙線性隨動強化設(shè)置，三維實體單元建模。

導(dǎo)條材料為銅合金，具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.1.1 計算方法

應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件進行分析，基礎(chǔ)模型在三維繪圖軟件Creo中導(dǎo)出。轉(zhuǎn)子鐵心槽與導(dǎo)條具有圓周均布特征，為了縮短非線性計算時間，使用對稱設(shè)置進行模型處理，保留1個完整導(dǎo)條，當轉(zhuǎn)子槽數(shù)為n，即取整個模型的1/n。

因為材料的塑性應(yīng)變是不可逆的,并且塑性應(yīng)變要消耗能量,所以塑性是一種路徑相關(guān)問題，與加載歷史有關(guān)。為了確保精度，分析設(shè)置中采用多子步，緩慢加載，同時在子步中限制累加塑性應(yīng)變量，用二分法控制修正。

2.1.2 約束與加載

對稱邊界，軸向施加無摩擦支撐，沖頭剛體屬性，沖頭頂面設(shè)置壓入位移量(參數(shù)為0.8、0.9、1.0 mm)。

2.2 計算結(jié)果與分析

根據(jù)漲緊深度進行加載設(shè)置，使得導(dǎo)條沖頭滾壓過程中經(jīng)過彈-塑性變形后形成壓槽，對導(dǎo)條兩側(cè)上頂面與底面生成高應(yīng)力分布區(qū)。通過多工況計算，得到不同漲緊量、不同沖頭方案下導(dǎo)條、鐵心的應(yīng)力及變形分布，以及接觸面應(yīng)力線形圖與接觸狀態(tài)分布趨勢，為判斷漲緊方案的適用性及后期開展驗證對比提供了良好基礎(chǔ)。

2.2.1 整體應(yīng)力及變形分布說明

各工況下應(yīng)力及位移如表2所示。

表2 各工況下應(yīng)力及位移

圖4 導(dǎo)條、鐵心應(yīng)力分布云圖

圖4～圖6為導(dǎo)條鐵心的云圖。

通過導(dǎo)條應(yīng)力分布云圖分析，除沖頭接觸處高應(yīng)力區(qū)域外，導(dǎo)條頂部、頂部圓弧過渡起始處、靠近底部側(cè)面及底面圓弧處均為高應(yīng)力區(qū)域，則在沖頭作用下，均為導(dǎo)條塑性易產(chǎn)生的位置。鐵心應(yīng)力分布主要集中在槽口與槽底處。2種沖頭方案下應(yīng)力分布一致，隨著漲緊量增大，鐵心應(yīng)力極值增大，易致鐵心該部位產(chǎn)生損傷。1.0 mm深度漲緊量下，尖角方案鐵心應(yīng)力極值最大達到237.02 MPa。

圖5 導(dǎo)條、鐵心變形分布云圖

2種沖頭方案下變形分布一致，導(dǎo)條變形為彈塑性變形，主要在頂部沖頭漲緊接觸區(qū)域；鐵心主要為槽底與槽口區(qū)域發(fā)生的彈性變形。各工況下圓角方案鐵心變形量均略大于尖角方案，結(jié)合導(dǎo)條變形云圖分布，圓角沖頭形成的導(dǎo)條塑性變形區(qū)域明顯大于尖角沖頭。

總體比較，應(yīng)力分布方面尖角略顯集中，極值數(shù)據(jù)上尖角大于圓角；變形影響方面圓角沖頭形成的塑性影響區(qū)大于尖角。圓角仿真結(jié)果優(yōu)于尖角結(jié)果。

2.2.2 槽內(nèi)接觸面應(yīng)力分布

對梯形導(dǎo)條側(cè)面建立應(yīng)力路徑，起始位置為槽底圓弧切點，終止位置為導(dǎo)條頂部圓弧側(cè)邊切點，對應(yīng)鐵心配合槽邊建立路徑，開展基于導(dǎo)條與鐵心的應(yīng)力路徑分析對比。

圖6 導(dǎo)條、鐵心應(yīng)力路徑分布云圖

從ANSYS后處理中導(dǎo)出路徑應(yīng)力值數(shù)據(jù)，分別建立導(dǎo)條側(cè)邊、鐵心槽側(cè)邊在不同沖頭方案的路徑應(yīng)力分布對比，如圖7、圖8所示。

圖7 導(dǎo)條側(cè)邊應(yīng)力分布線性關(guān)系圖

圖8 鐵心槽側(cè)邊應(yīng)力分布線性關(guān)系圖

相同漲緊深度下，2種方案應(yīng)力分布趨勢基本一致。從導(dǎo)條應(yīng)力路徑對比可以得出，圓角方案極值出現(xiàn)在靠近導(dǎo)條頂部位置，尖角方案極值出現(xiàn)在靠近導(dǎo)條底部位置，圓角在側(cè)邊形成的漲緊能力大于尖角。鐵心應(yīng)力路徑對比則說明，圓角方案路徑兩側(cè)應(yīng)力幅值一致條件下，槽內(nèi)中間部分整體應(yīng)力高于尖角方案，說明導(dǎo)條該位置出現(xiàn)載荷傳遞，貼緊度高。

2.2.3 槽內(nèi)接觸壓力與接觸狀態(tài)

對比槽內(nèi)導(dǎo)條與鐵心接觸狀態(tài)與接觸壓力并分析。各方案導(dǎo)條槽內(nèi)接觸狀態(tài)、接觸壓力分布云圖如圖9所示。

圖9 各方案導(dǎo)條槽內(nèi)接觸狀態(tài)、接觸壓力分布云圖

接觸狀態(tài)云圖方面，尖角方案在導(dǎo)體頂部形成的粘結(jié)范圍小于圓角方案，同時在圖9中，雖然尖角極值大于圓角，但接觸高壓力分布影響范圍上弱于圓角。綜合導(dǎo)條、鐵心側(cè)邊應(yīng)力分布特征與線性數(shù)據(jù)對比，圓角方案形成的漲緊預(yù)緊力效果優(yōu)于尖角方案。

綜上所述，在給定漲緊量條件下，圓角方案更易在轉(zhuǎn)子槽口靠近頂部區(qū)域保持高漲緊的效果，抑制離心力等徑向力載荷作用比尖角方案更為有效。

3 工藝驗證

3.1 技術(shù)設(shè)計

滾壓漲型機由滾壓系統(tǒng)、工作臺、床身組成。轉(zhuǎn)子滾壓漲型時，通過工作臺上的支撐輪對轉(zhuǎn)子進行定位。滾輪通過液壓和鉸鏈機構(gòu)實現(xiàn)升降，電機轉(zhuǎn)子通過伺服電機進行分度，工作臺通過機床主體上的滾珠絲杠實現(xiàn)往復(fù)運動，進行導(dǎo)條滾壓。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條滾壓系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條滾壓系統(tǒng)

3.2 工藝分析

開展不同滾壓方案下沖頭壓入深度對導(dǎo)條變形的影響分析，對滾壓深度與槽寬變化進行比較。列出槽寬2.20 mm的導(dǎo)條漲緊變化數(shù)據(jù)，并通過木錘敲擊確定導(dǎo)條槽內(nèi)松緊程度。漲緊后槽寬影響統(tǒng)計如表3所示。

表3 漲緊后槽寬影響統(tǒng)計

對圓角截面滾刀與尖角截面沖頭滾壓后導(dǎo)條截面性狀開展測試比較。導(dǎo)條截面示意與實際測量過程實物圖如圖11所示。導(dǎo)條漲緊影響測量值如表4所示。

圖11 導(dǎo)條截面示意與實際測量過程圖片

表4 導(dǎo)條漲緊影響測量值

拆解部分導(dǎo)條進行漲緊情況驗證(手工漲緊圖片)，結(jié)合導(dǎo)條表面壓痕狀態(tài)，與仿真結(jié)果中接觸狀態(tài)較為匹配，說明仿真方案的有效性。拆解導(dǎo)條實物壓痕如圖12所示。

圖12 拆解導(dǎo)條實物壓痕

工藝驗證過程中，對比實測數(shù)據(jù)，在導(dǎo)條高度基本一致條件下，圓角方案對導(dǎo)條頂端厚度形成的增量大于尖角方案，考慮到漲緊效果來源于鐵心槽兩側(cè)的摩擦實現(xiàn)，因此沖頭圓角方案優(yōu)于尖角方案。

4 結(jié) 語

本文通過建立針對牽引電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條漲緊分析方案，仿真分析了沖頭截面形狀對導(dǎo)條漲緊后，導(dǎo)條及鐵心應(yīng)力分布，接觸狀態(tài)及側(cè)邊形成的漲緊影響，對比工藝實際驗證與統(tǒng)計，取得了以下主要成果：

(1) 仿真方案與工藝驗證均明確了導(dǎo)條漲緊量為影響導(dǎo)條緊固效果的重要參數(shù)，通過數(shù)據(jù)對比反饋，合適的漲緊量對于保障轉(zhuǎn)子端部穩(wěn)定性起到重要作用。

(2) 通過仿真對側(cè)邊應(yīng)力路徑與接觸狀態(tài)比較，圓角方案在漲緊效果上優(yōu)于尖角方案；工藝驗證中沖頭圓角方案對導(dǎo)條在槽內(nèi)形成的厚度增量大于尖角方案。

(3) 通過對銅合金材質(zhì)導(dǎo)條漲緊研究，應(yīng)選擇沖頭截面為R0.90～R0.95 mm的圓形沖頭，滾壓深度范圍在0.75～0.90 mm之間，既能保障導(dǎo)條漲緊，同時有效控制齒的變形，降低齒根部應(yīng)力。

(4) 對導(dǎo)條漲緊的仿真及試驗為后續(xù)工藝方案的改進提供了依據(jù)。