鞏魁鑫,宮海龍,韓雪梅

(1. 哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司,哈爾濱 150028;2. 哈爾濱電氣集團(tuán)先進(jìn)電機(jī)技術(shù)有限公司,哈爾濱 150028;3. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展,礦用自卸車在采礦行業(yè)的地位越來越重要,是大型露天礦山的主要運(yùn)輸工具。電動輪及其驅(qū)動系統(tǒng)是礦用自卸車的核心部件,一般由電勵磁柴油發(fā)電機(jī)、車載變頻器、電動輪總成組成[1]。電動輪驅(qū)動系統(tǒng)屬于多系統(tǒng)融合,具有很大難度與復(fù)雜度。在整個傳動系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)化為電能,是系統(tǒng)電動力的全部來源,其可靠性直接影響車輛的正常運(yùn)行[2],其轉(zhuǎn)動部件的強(qiáng)度是影響整個電驅(qū)動系統(tǒng)工作性能和壽命的重要因素。

針對220 t級礦用自卸車電動輪驅(qū)動系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部件強(qiáng)度問題,本文進(jìn)行了深入的研究和探討。旨在通過對轉(zhuǎn)動部件的強(qiáng)度分析,優(yōu)化設(shè)計方案,提高其工作穩(wěn)定性和可靠性。為優(yōu)化220 t級礦用自卸車柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)計實踐提供參考。

1 柴油發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

220 t礦用自卸車發(fā)電機(jī)采用電勵磁同步電機(jī),主要參數(shù)見表1。

表1 主發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

柴油發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,柴油發(fā)電機(jī)的整個轉(zhuǎn)子都是轉(zhuǎn)動部件。除轉(zhuǎn)子本體外,適配盤是直接傳遞柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵部件,也需要對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組成示意圖

2 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析

本文對磁極極靴位置及磁極沖片倒角進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)電勵磁柴油發(fā)電機(jī)電磁方案確定的結(jié)構(gòu),對該電機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度進(jìn)行計算,如圖2～圖4所示。同步電機(jī)的磁極主要由勵磁線圈、線圈匝間絕緣、磁極鐵心、極身絕緣等部分組成[3]。由于轉(zhuǎn)子整體為對稱結(jié)構(gòu),所以取一個磁極計算轉(zhuǎn)子各個部件的應(yīng)力,分別計算額定轉(zhuǎn)速、超速轉(zhuǎn)速2個工況。有限元計算應(yīng)力結(jié)果用材料的屈服極限考核。額定轉(zhuǎn)速工況下,磁極壓板安全系數(shù)為1.71;轉(zhuǎn)子沖片的安全系數(shù)為1.92;磁軛壓板的安全系數(shù)為1.17;轉(zhuǎn)子磁軛的安全系數(shù)為1.41;轉(zhuǎn)子線圈安全系數(shù)為3.66。在超速轉(zhuǎn)速工況下,轉(zhuǎn)子沖片的最大應(yīng)力小于抗拉極限,鍵的最大應(yīng)力為局部壓應(yīng)力,小于材料抗拉極限,平均應(yīng)力水平較低(小于材料屈服極限),轉(zhuǎn)子其它各部件的最大應(yīng)力均小于屈服極限。

圖2 磁極計算模型邊界條件及載荷

圖3 額定轉(zhuǎn)速下磁極壓板應(yīng)力分布

圖4 額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子線圈應(yīng)力分布

額定轉(zhuǎn)速工況下,磁極線圈受離心力作用產(chǎn)生的切向變形量不到0.1 mm。

3 適配盤強(qiáng)度分析

柴油發(fā)電機(jī)的適配盤是傳遞柴油機(jī)動力的關(guān)鍵部件。把合螺栓連接適配盤和輪轂,適配盤的輪轂通過過盈配合連接轉(zhuǎn)軸,柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過此路徑傳遞到柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子,驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。在柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電的過程中,適配盤、輪轂及連接螺栓需要在轉(zhuǎn)動工況下穩(wěn)定的傳遞扭矩。為保證柴油發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行,需要計算離心力作用工況下,通過螺栓、過盈量連接的適配盤、輪轂和轉(zhuǎn)軸應(yīng)力。由于模型為對稱結(jié)構(gòu),取部分模型進(jìn)行分析,分別計算了額定轉(zhuǎn)速最小過盈量工況、額定轉(zhuǎn)速最大過盈量工況、超速轉(zhuǎn)速最小過盈量工況、超速轉(zhuǎn)速最大過盈量工況、電機(jī)靜止最大過盈量工況等5個工況。載荷及邊界條件如圖5所示。

圖5 適配盤模型邊界條件及載荷

電機(jī)適配盤輪轂與主軸的直徑配合過盈量在合適范圍,摩擦力矩可以克服柴油機(jī)傳遞的額定扭矩,適配盤與輪轂之間的摩擦力矩也可以克服柴油機(jī)傳遞的額定扭矩。各工況下,適配盤、輪轂、主軸的應(yīng)力水平在許用范圍內(nèi),適配盤和輪轂最大應(yīng)力位置均為螺栓孔接觸位置,平均應(yīng)力水平較低。有限元計算后,還需要進(jìn)一步計算輪轂與轉(zhuǎn)軸、適配盤與輪轂的配合應(yīng)力是否足夠傳遞柴油機(jī)的扭矩。在考慮輪轂與轉(zhuǎn)軸接觸面積為70%的情況下,摩擦力矩Mf>Mn,柴油機(jī)傳遞額定扭矩不會發(fā)生滑動。

轉(zhuǎn)軸使用的常規(guī)材料屈服極限通常在200 MPa～400 MPa之間,從圖6和圖7的有限元計算結(jié)果看安全裕量充足。同時,適配盤和輪轂的應(yīng)力在所有工況下都比較高,設(shè)計時需要采用屈服極限足夠高的材料。螺栓預(yù)緊力導(dǎo)致的應(yīng)力集中,最大應(yīng)力位置均為螺栓孔接觸位置,平均應(yīng)力水平較低,有限元的應(yīng)力分布不能反映螺紋的受力情況,需要進(jìn)一步計算螺紋應(yīng)力。通過機(jī)械設(shè)計手冊中螺紋應(yīng)力計算公式的計算結(jié)果可以得到:螺紋彎曲應(yīng)力用輪轂屈服極限考核安全系數(shù)為2.54,螺紋剪應(yīng)力用輪轂屈服極限考核安全系數(shù)為2.74,螺桿拉應(yīng)力為用螺栓屈服極限考核安全系數(shù)為1.32。

圖6 額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)軸與輪轂接觸應(yīng)力分布

圖7 適配盤靜止最大過盈量應(yīng)力分布

螺栓和輪轂通過螺紋連接,輪轂的材料屈服極限較低,用其屈服極限考核內(nèi)螺紋的彎曲、剪切應(yīng)力,還有一定的安全裕度。

4 試驗結(jié)果

經(jīng)過220 t礦用自卸車電動輪驅(qū)動系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗,柴油發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min下運(yùn)行良好穩(wěn)定,轉(zhuǎn)矩傳遞平穩(wěn)可靠,現(xiàn)場情況如圖8所示。

圖8 聯(lián)調(diào)試驗安全穩(wěn)定運(yùn)行情況

5 結(jié)論

采用有限元法計算了220 t級礦用自卸車電動輪驅(qū)動系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動部件在不同載荷工況下的應(yīng)力,并對整個驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)試驗。試驗結(jié)果表明,柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部件在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)安全穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn),證明了轉(zhuǎn)動部件強(qiáng)度有限元計算結(jié)果的可靠性。