遲恩巖

(大慶煉化公司,黑龍江大慶 163000)

0 引言

電機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著其整機(jī)性能以及可靠性設(shè)計(jì),隨著工業(yè)化的高轉(zhuǎn)速發(fā)展,對(duì)高轉(zhuǎn)速電機(jī)的需求日益提升,它符合高功率密度、小型化、高效性、快速響應(yīng)的集成模塊化特征。因此,也增加了電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)的難度,對(duì)電機(jī)整體方案設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。如果不能降低優(yōu)化高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件帶來(lái)的過(guò)渡離心載荷,零件將很有可能出現(xiàn)各種形式的應(yīng)力失效(如疲勞、屈服、斷裂破損等),同時(shí)考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子受到電磁以及溫度場(chǎng)的影響耦合的而產(chǎn)生的熱應(yīng)力,故高轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵,并且對(duì)電機(jī)可靠性與安全性設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文涉及到電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件強(qiáng)度分析內(nèi)容涵蓋電機(jī)模型的接觸應(yīng)力計(jì)算校核分析、過(guò)盈機(jī)械應(yīng)力計(jì)算校核分析、普遍模型軸向應(yīng)力計(jì)算以及Mises應(yīng)力計(jì)算等。通過(guò)不同應(yīng)力類型計(jì)算結(jié)果對(duì)比,了解高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件強(qiáng)度分析計(jì)算過(guò)程,對(duì)提升旋轉(zhuǎn)部件強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)能力具有一定的工程借鑒意義[1、2]。

1 旋轉(zhuǎn)部件度強(qiáng)度應(yīng)力模型的構(gòu)建

高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件大多具有永磁體護(hù)套結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1,包括護(hù)套、部件、轉(zhuǎn)軸等。

圖1 旋轉(zhuǎn)部件護(hù)套結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)力模型與結(jié)構(gòu)模型應(yīng)保持基本的對(duì)稱形式,以此為基礎(chǔ)確定數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的解析對(duì)稱軸,建立應(yīng)力數(shù)學(xué)模型時(shí)還應(yīng),還需要設(shè)置數(shù)值模型的約束條件即兩端的約束。結(jié)合上述思路、條件構(gòu)建平衡應(yīng)力微分方程、解析本構(gòu)方程、溫度場(chǎng)條件下本構(gòu)方程,見(jiàn)式(1)、式(2)、式(3)、式(4)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,E—彈性模量;ν—泊松比;ε—應(yīng)變;r—微元體上一點(diǎn)到原點(diǎn)的距離;σ—半徑處的應(yīng)力;α—熱膨脹系數(shù);下標(biāo)r—沿半徑方向;下標(biāo)θ—沿周向方向;下標(biāo)z—沿軸向方向。

除此之外還需建立,強(qiáng)度校核準(zhǔn)則,根據(jù)以往設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),高轉(zhuǎn)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件在工作的強(qiáng)度準(zhǔn)則模型,本文采用Mises強(qiáng)度理論,該理論以任意材料的屈服假設(shè)為基礎(chǔ)構(gòu)建了周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力在圓柱坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式(5),同時(shí)結(jié)合本工程案例高轉(zhuǎn)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件,將其視為“平面規(guī)整化對(duì)稱模型”故見(jiàn)式(5)變型為式(6)。

(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2+6(τrθ2+τθz2+τzr2)=2σs2

(6)

(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2=2σs2

(7)

對(duì)式(7)做進(jìn)一步演化變型調(diào)整,將旋轉(zhuǎn)部件實(shí)際的材料屈服極限代入,得到整體屈服條件判定校核準(zhǔn)則見(jiàn)式(8)。

(8)

式中,[σ]—高轉(zhuǎn)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件材料的許用應(yīng)力極限。

2 旋轉(zhuǎn)部件非工作狀態(tài)下應(yīng)力分析計(jì)算

上面介紹了本文需要分析的高轉(zhuǎn)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件主要包括護(hù)套、部件、轉(zhuǎn)軸,由于結(jié)構(gòu)的限制以及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的需要,護(hù)套徑向尺寸遠(yuǎn)比部件1以及轉(zhuǎn)軸要小,因此護(hù)套1是整個(gè)轉(zhuǎn)配件的“應(yīng)力危險(xiǎn)”部件,將對(duì)它進(jìn)行應(yīng)力校核分析。

在電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)由工作環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有一個(gè)壓力載荷見(jiàn)圖2,此部分載荷大小一般于轉(zhuǎn)動(dòng)部件內(nèi)外徑有關(guān)以及材料有關(guān)(圖中尺寸b與c),在進(jìn)行工作狀態(tài)應(yīng)力分析前應(yīng)對(duì)此種狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)部件靜止?fàn)顟B(tài)下受力情況

圖3 非工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)部件合成Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4 非工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 常溫運(yùn)行態(tài)與非工作狀態(tài)應(yīng)力對(duì)比匯總

從計(jì)算結(jié)果可以看出,高轉(zhuǎn)速電機(jī)在非工作狀態(tài)下,“應(yīng)力危險(xiǎn)”旋轉(zhuǎn)部件Mises合成應(yīng)力、周向應(yīng)力隨半徑尺寸的增大而減小,徑向應(yīng)力與之相反,軸向應(yīng)力基本保持不變。

3 旋轉(zhuǎn)部件工作狀態(tài)下應(yīng)力研究

由于本文所涉及到工程案例電機(jī)包括兩種工況即常溫運(yùn)行態(tài)(40℃～50℃)與高溫運(yùn)行態(tài)(120℃～170℃),因此需要分別計(jì)算兩種工作狀態(tài)下應(yīng)力分布情況。應(yīng)用應(yīng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)常溫運(yùn)行態(tài)與非工作狀態(tài)、高溫運(yùn)行態(tài)與常溫運(yùn)行態(tài)的應(yīng)力分布進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

從計(jì)算對(duì)比看出,由于離心載荷的作用使得各種類型形式的應(yīng)力均提高(其中徑向應(yīng)力增加不多),應(yīng)力的變化趨勢(shì)為發(fā)生變化。

從高溫運(yùn)行態(tài)與常溫運(yùn)行態(tài)應(yīng)力計(jì)算對(duì)比可以看出,前者應(yīng)力進(jìn)一步增加,主要原因,除承受系統(tǒng)載荷、離心載荷的作用外,高溫運(yùn)行時(shí)承受溫度載荷,使得各種類型形式的應(yīng)力進(jìn)一步提高,應(yīng)力的變化趨勢(shì)與非工作運(yùn)行狀態(tài)、常溫運(yùn)行態(tài)基本保持一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先論述了高轉(zhuǎn)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)安全性、可靠性以及性能的影響,然后建立基于工程實(shí)際案例的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)力數(shù)學(xué)模型與強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,以此為基礎(chǔ)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件非工作態(tài)、常溫運(yùn)行態(tài)、高溫運(yùn)行態(tài)的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,分析研究了不同工況狀態(tài)對(duì)各種類型應(yīng)力的影響。在旋轉(zhuǎn)部件安全可靠性設(shè)計(jì)方面具有一定的借鑒意義。