直驅風力發電機軸與軸套純過盈配合校核計算方法

劉友生 蔣雯雯

摘? ?要： 純過盈配合是直驅風力發電機軸與軸套連接的一種常見形式，能夠滿足結構耐振、耐不均勻沖擊和苛刻尺寸等要求，軸與軸套的配合公差是反映過盈量精準度的關鍵。提出一種傳統經驗法與有限元仿真相結合的過盈配合校核計算思路：首先，計算軸與軸套配合面傳遞荷載所需的過盈量，初步確定軸與軸套的配合公差;其次，校核配合公差達到最大過盈量時，軸與軸套配合面是否產生塑性變形;最后，基于ANSYS Workbench，進行有限元分析，在多種工況下對配合公差進行校核計算，并根據總體變形和綜合應力仿真結果對配合公差進行修正。設計、生產的首批樣機已經通過型式試驗，與純過盈配合相關的各項機械性能指標滿足設計要求，且裝機運行后保持運行狀態良好，驗證了該方法的準確性、實用性和可靠性。

關鍵詞： 純過盈配合;配合公差;塑性變形;結合應力;型式試驗

中圖分類號：TH133.2? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-070-06

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.013

引言

電機軸與軸套連接通常采用過盈配合的方式傳遞扭矩，以滿足結構耐振、耐不均勻沖擊、苛刻尺寸等要求。過盈配合的形式主要有兩種。一種是軸與軸套連接采用輕微的過盈配合，并施加平鍵;另外一種是軸與軸套連接采用純過盈配合。其中，在純過盈配合連接方式中，軸與軸套的配合公差尤為關鍵，需要設計者提供精確的數據。這是因為如果軸與軸套連接的過盈量（即配合公差）過小，軸與軸套承受扭矩時會發生打滑，甚至導致扭斷的后果;如果軸與軸套連接的過盈量太大，又會超出軸與軸套配合面所允許的最大有效過盈量，產生塑性變形，甚至導致軸套開裂、失效[1]。

目前，對于軸與軸套連接的過盈量，尚無明確的規范要求，也沒有統一的計算方法。設計者通常采用經驗法對過盈量進行確定，即首先通過經驗公式求取所需的過盈量，再驗算因過盈及離心力產生的應力是否在材料許用應力的限度內，這種方法的可靠性有待商榷[1-2]。許多設計者為了確保軸與軸套連接能傳遞扭矩，軸與軸套間不發生打滑、竄動[3]，根據經驗加大了過盈量，顯然給軸與軸套連接帶來了又一隱患。

我公司有一款75 kW出口直驅風力發電機，采用純過盈配合。軸伸上的花鍵為內花鍵，即軸伸為轂（軸套）。軸伸轂的內花鍵與軸整體加工工藝好壞成為決定軸的加工成本能否控制在合理區間、軸的生產能否批量化、軸的性能能否滿足可靠性的主要因素。在實際生產過程中，首先加工軸伸轂的內花鍵，然后將軸與軸套過盈配合的連接方式視作一個整體進行設計和精加工，可以有效解決以上問題。此時，軸與軸套過盈配合的精準校核更加關鍵。

本文以我公司這款直驅風力發電機的軸伸為研究對象，首先通過傳統的經驗法計算軸與軸套配合面傳遞荷載所需的最小過盈量，初步確定軸與軸套的配合公差;然后進一步校核配合公差達到最大過盈量時，軸與軸套配合面是否產生塑性變形;最后基于ANSYS Workbench，對軸與軸套的配合公差進行仿真校核計算，根據仿真結果對配合公差進行優化，探討純過盈配合數據的準確性和可靠性。

1? 基本參數

1.1? 電機基本參數

軸轉速n=62 r/min，電機額定功率Pn=75 kW。

軸材料為40Cr，屈服強度σsi=785 MPa，彈性模量Ei=210 GPa，泊松比0.3，彈性應變εa=0.393%。

軸套材料為42CrMo，屈服強度σsa=930 MPa，彈性模量Ea=210 GPa，泊松比0.3，彈性應變εa=0.465%。

剎車扭矩Tmax=21 360 N·m，軸向力Fa=56 000 N。

1.2? 軸伸結構

軸與軸套過盈配合。軸與軸套結構示意簡圖如圖1所示。

軸與軸套配合面直徑df=120 mm，配合面長度lf=125 mm，軸套外徑da=175 mm，軸表面光潔度Ra=1.6 μm，軸套內表面光潔度Ra=3.2 μm。載荷全部由過盈配合傳遞，焊接作為輔助手段，提高安全系數。配合方式選擇軸與孔的配合。

2? 軸與軸套配合面配合公差尺寸確定

軸與軸套過盈配合，通過其過盈量產生的摩擦力承受電機電磁扭矩施加在配合面的載荷。忽略溫度變化的影響。

2.1? 摩擦轉矩

2.2? 經法驗軸與軸套的配合尺寸

根據經驗，確定軸外徑尺寸φ120 mm，軸套（轂）孔徑尺寸φ120 mm，配合面長度lf=125 mm（考慮倒角及R角，取實際配合長度）。

3? 軸與軸套配合公差確定及強度校核

3.1? 計算配合面傳遞扭矩和軸向力所需最小壓強

配合面傳遞扭矩和軸向推力所需最小壓強滿足

3.2? 計算傳遞荷載所需的最小過盈量及最小直徑變化量

3.2.1? 軸套傳遞荷載所需的最小直徑變化量

3.2.2? 軸傳遞荷載所需的最小直徑變化量

綜上，確定軸外徑尺寸mm，軸套與之配合內徑尺寸mm是合適的。

4 基于ANSYS Workbench的仿真校核

4.1? 總體思路

首先，利用SolidWorks軟件創建軸與軸套裝配體簡化三維模型，如圖2所示。然后，將模型導入ANSYS Workbench軟件中，依次設置軸與軸套材料屬性（圖3），對模型進行網格劃分（圖4），最后加載載荷，實現靜力學仿真（圖5）。其中，軸材料設置為40Cr，軸套材料設置為42CrMo，網格劃分采取分別劃分的方式。

通過模型受力分析，軸與軸套過盈配合，構成軸伸結構，其配合面摩擦因數取0.15。考察四種受力情況，分別進行載荷加載：

（1）軸伸不受轉矩影響時，考察軸與軸套分別在最小過盈量0.195 mm和最大過盈量0.250 mm情況下的受力情況;

（2）軸伸受最大轉矩2.31×107 N·mm時，考察軸與軸套分別在最小過盈量0.195 mm和最大過盈量0.250 mm情況下的受力情況。

4.2? 結果與討論

4.2.1? 仿真結果

（1）軸伸不受轉矩影響，最小過盈量為0.195 mm時，軸與軸套受力運行，得到圖6所示的云圖。

（2）軸伸受最大轉矩，最小過盈量為0.195 mm時，軸與軸套受力運行，得到圖7所示的云圖。

（3）軸伸不受轉矩影響，最大過盈量為0.250 mm時，軸與軸套受力運行，得到圖8所示的云圖。

（4）軸伸受最大轉矩，最大過盈量為0.250 mm時，軸與軸套受力運行，得到圖9所示的云圖。

4.2.2? 討論

分析圖6～9的軸伸云圖，將其結果匯總于表1。

根據總體變形和綜合應力云圖可知，最大應力發生在軸套內孔配合面根部區域。由表1知，當軸伸受最大轉矩，最大過盈量為0.250 mm時，軸與軸套受到的應力最大，但滿足設計要求：最大綜合應力為420.78 MPa，安全系數[n]取1.5～2.0，那么n=σs/σ=930/420.78=2.21>[n];綜合彈性應變εmax=0.221%，又因為軸的彈性應變為0.393%，軸套的彈性應變為0.465%，因此εmax<ε（取軸與軸套彈性應變孰小者）。軸伸的疲勞壽命Hf≥1×106 h，符合旋轉受力部件許用疲勞壽命要求。

綜上，校核計算得到的配合面公差尺寸符合設計要求，與傳統計算結果一致。該型號直驅風力發電機首批樣機已通過型式試驗，軸伸處順利通過堵轉試驗，軸與軸套配合公差的各項機械性能指標滿足設計要求。目前，該電機已經出口歐洲，安全運行超過5年，運行狀態良好，各項性能指標獲得業主好評。

5? 結論

（1）通過經驗法可以計算得到軸與軸套配合面傳遞荷載所需的最小過盈量，進而初步確定軸與軸套的配合公差;

（2）基于ANSYS Workbench對軸與軸套的配合公差尺寸進行仿真校核，仿真結果與傳統計算結果一致，能夠合理確定軸與軸套不產生塑性變形所允許的最大有效過盈量;

（3）有限元仿真結合傳統經驗的方法可以有效求解軸與軸套過盈配合的校核計算問題，可以為軸與軸套的配合連接提供精準、可靠的配合公差。

參考文獻

[1] 錢偉長. 電機設計強度計算的理論基礎[M]. 合肥： 安徽科學技術出版社， 1992： 83-85.

[2] 楊萬清， 陳興衛. 電機實用設計技術[M]. 北京： 機械工業出版社， 2014： 159-161.

[3] 程紹堅， 方斌. 螺槳軸與軸套的過盈配合計算[J]. 船舶標準化工程師， 2017（6）： 52-56.

[4] 黃國治， 傅豐禮. 中小旋轉電機設計手冊： 第2版[M]. 北京：中國電力出版社， 2013： 412-415.

[5] 陳艷霞. ANSYS Workbench 18.0有限元分析從入門到精通[M]. 北京： 電子工業出版社， 2018： 408-477.

作者簡介：

劉友生（1981—），通信作者，男，本科，副主任工藝師，從事電機工藝工裝和電機機械結構設計工作。

E-mail： lysh2006@163.com

（收稿日期：2020-06-23）