吳 冰，王建良

(1.湖南鐵道職業(yè)技術學院，株洲 412001；2.中國中車株洲電機有限公司，株洲 412001)

0 引 言

轉軸材料疲勞性能試驗的設計思路、試驗數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)分析已在參考文獻[3]中有詳細介紹，本文是在轉軸靜強度及疲勞校核之前的建模的基礎上，對電機轉軸靜強度及疲勞進行校核分析。

1 轉軸結構靜強度校核評判

基于合理的極限載荷工況下的應力計算結果，可用FKM(德國機械工程研究委員會)規(guī)范或其他強度評判準則進行轉軸結構靜強度校核和評判，給出結構的安全系數(shù)。如果應力結果低于屈服強度75%以下，一般可認定為靜強度可靠，不會發(fā)生失效破壞。

轉軸材料為34CrNiMo6，其材料性能如表1所示。由表1可知，轉軸的屈服強度大于600 MPa。在低電壓穿越時，轉軸的最大應力為213.56 MPa，低于轉軸屈服強度75%以下，可認為轉軸不會發(fā)生失效破壞。

表1 轉軸的材料性能

2 疲勞校核分析

疲勞分析中，一般根據(jù)構件表面的熱處理、粗糙度、溫度以及結構尺寸效應等影響因素，對材料原有的S-N曲線進行修正。同時計算不同工況下的應力幅數(shù)值，采用雨流計數(shù)法將應力幅數(shù)值、平均應力大小以及應力幅的循環(huán)次數(shù)存儲到矩陣中，再采用線性損傷Miner準則進行損傷累積，計算出對應的疲勞結果。

在本項目中的轉軸疲勞校核中，已通過轉軸材料疲勞性能試驗，得到轉軸材料的S-N曲線，如見圖1所示。

圖1 轉軸材料34CrNiMo6的S-N曲線

轉軸的疲勞強度為403 MPa左右，同時轉軸的應力幅值較低(最大106.87 MPa)，低于疲勞強度數(shù)值，因而整個轉軸的疲勞壽命將是無限壽命。

轉軸的疲勞校核通過Fatigue tool模塊進行計算。如圖2所示，疲勞強度因子取0.8，循環(huán)特征R取0，平均應力修正理論取Goodman，循環(huán)次數(shù)為107。

圖2 轉軸疲勞校核參數(shù)選取

轉軸設計無限壽命為107，則得到的疲勞安全系數(shù)(Saftey factor)如圖3所示?？梢钥闯觯D軸最小疲勞安全系數(shù)為2.56，大于中國船級社《風力發(fā)電機組規(guī)范》(2008)中規(guī)定的1.1，符合設計要求。

圖3 轉軸疲勞安全系數(shù)云圖

3 工藝結構對轉軸應力的影響分析

研究不同的工藝結構對轉軸應力的影響，主要從過渡圓角或退刀槽的尺寸形狀進行比較分析。

對轉軸第2臺階過渡處的倒角進行變動，分別采用不同半徑的圓角或退刀槽進行分析，如圖4所示。

圖4 不同倒角或退刀槽對應的應力分布

從圖4可以看出，當過渡圓角半徑由原來的R=0.5 mm增大到R=1.5 mm后，應力減小了約27 MPa。當改為圖4(b)中A型退刀槽后，雖然軸頸有所減小(單邊減小了0.4 mm)，但由于圓角過渡實際為R=2.5 mm，所以應力比R=1.5 mm的圓角還要小。圖4(c)中A型退刀槽實際的圓角半徑為R=1 mm，應力比R=1.5 mm時要大。

通過以上3種倒角分析可以得出，轉軸在相鄰兩個軸段的臺階過渡處的應力大小，主要取決于形狀系數(shù)R/t值的大小，其中R為過渡圓角半徑，t為相鄰兩軸段單邊高度差。因此，轉軸在階梯過渡處應盡量增大過渡圓角，而軸頸稍微縮小對轉軸應力無明顯影響。原始設計的過渡圓角半徑為R=0.5 mm，軸徑尺寸從φ173 mm跨越到φ180 mm，單邊高度差為t=3.5 mm，形狀系數(shù)R/t=0.5/3.5=0.143，其數(shù)值很小，導致應力較為集中。若如圖4(a)中R=1.5 mm，則形狀系數(shù)R/t=1.5/3.5=0.429，應力明顯減小。此處過渡圓角采用R=1.5 mm或圖4(b)中的A型退刀槽較為合理。對于采用直接圓角R過渡還是相同圓角R的A型退刀槽，考慮到直接圓角R過渡更容易引起與之配合的部件在過渡處干涉(部件需要倒角)以及加工工藝，A型退刀槽應是更合理的選擇。

4 材料對轉軸疲勞強度的影響分析

由前面的分析可以看出，發(fā)電機在低電壓穿越時(2倍額定轉矩)，轉軸最大應力為213.56 MPa，遠低于轉軸材料34CrNiMo6的屈服強度600 MPa。常用的轉軸材料如35CrMo或42CrMo，其屈服強度分別為≥450 MPa或≥500 MPa[1]，也大于轉軸的最大應力。因此，轉軸材料選用35CrMo或42CrMo均可以滿足發(fā)電機低電壓穿越的要求。至于轉軸的疲勞安全系數(shù)，在Workbench默認的材料結構鋼的S-N曲線的基礎上，結合35CrMo或42CrMo與結構鋼的屈服強度的比值，可近似推出35CrMo或42CrMo的S-N曲線(如圖5和圖6所示)，并以此得到其安全系數(shù)，如圖7所示。

圖5 35CrMo的S-N曲線

圖6 42CrMo的S-N曲線

圖7 轉軸材料分別為35CrMo及42CrMo時的安全系數(shù)云圖

由圖7可以看出，采用35CrMo或42CrMo材料的轉軸最小疲勞安全系數(shù)分別為1.97及2.18，均大于1.1，滿足設計要求。因此，35CrMo和42CrMo也可作為轉軸材料的一種選擇，其中42CrMo要比35CrMo的強度稍大，但35CrMo比42CrMo焊接性能要好，更適合于焊筋軸。

5 結 語

從以上有限元分析結果來看，雙饋風力發(fā)電機在低電壓穿越情況下，其轉軸的機械性能滿足發(fā)電機運行的要求，包括其對不同類型的倒角對轉軸性能的影響分析，均與傳統(tǒng)的對轉軸的理論計算結果相符，因此關于轉軸的理論分析也是正確合理的。

通過上述靜應力分析，我們明確電機轉軸的應力水平和分布狀況，找出潛在的危險部位，分析轉軸的疲勞強度；通過靜強度校核，明確電機轉軸在不同載荷工況下的設計裕量和安全系數(shù)，驗證轉軸是否滿足發(fā)電機低電壓穿越的要求；通過疲勞強度校核，給出轉軸的疲勞安全系數(shù)；對轉軸的不同結構工藝進行比較分析，找出最優(yōu)的工藝結構；比較分析不同材料對轉軸疲勞強度的影響，找出性價比最優(yōu)的轉軸材料。同時，本文建立合理的電機轉軸靜應力仿真分析流程和疲勞校核仿真分析方法，為電機的科學合理設計提供了參考。