8超高速大功率同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁機(jī)聯(lián)軸器、勵(lì)磁機(jī)軸強(qiáng)度及疲勞計(jì)算

摘 要：對功率20MW，4800rpm同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁機(jī)聯(lián)軸器進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；確定聯(lián)軸器配合緊量的安全系數(shù)；由于受到交變載荷，因此對勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析。并對勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)給出修改建議。

關(guān)鍵詞： 強(qiáng)度；過盈；疲勞

超高速大功率同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁機(jī)的額定轉(zhuǎn)速達(dá)到4800 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的大型汽輪發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速3000 。因此，在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核工作顯得尤為重要，甚至必要的情況下，要由有限元的強(qiáng)度分析來指引結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)安全，可靠。

1 模型描述

該勵(lì)磁機(jī)的聯(lián)軸器采用常用的熱套形式。采用熱套形式進(jìn)行扭矩傳遞應(yīng)該注意以下問題：1）靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)的熱套緊量作用在轉(zhuǎn)子本體和勵(lì)磁機(jī)聯(lián)軸器上引起的應(yīng)力應(yīng)該在允許范圍之內(nèi)。2）額定工況時(shí)，勵(lì)磁機(jī)聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子本體應(yīng)該滿足強(qiáng)度要求。應(yīng)該保有足夠的安全系數(shù)。同時(shí)，額定工況時(shí)，不能發(fā)生聯(lián)軸器與勵(lì)磁機(jī)之間的相對滑動(dòng)，也就是保有足夠的剩余接觸緊量；同時(shí)，也要考慮機(jī)組的短路工況發(fā)生時(shí)，勵(lì)磁機(jī)聯(lián)軸器能夠承受短路發(fā)生時(shí)的短路扭矩。3）為了能確保電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，考慮機(jī)組可能出現(xiàn)非正常工況下的超速狀態(tài)，因此必須用同樣的要求來考核超速6260 的超速工況，同時(shí)還應(yīng)考慮扭矩作用。4）機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，由于重力影響，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸受到彎矩作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的豎直方向的載荷，該載荷可能造成結(jié)構(gòu)疲勞，因此在對聯(lián)軸器進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，結(jié)構(gòu)必須滿足疲勞要求。

2 材料力學(xué)基本原理

3 有限元原理

有限元分析基本思路就是采用采用剖分結(jié)構(gòu)的單元的原理，得到單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，利用材料力學(xué)的三個(gè)基本平衡條件和邊界條件，考慮結(jié)構(gòu)的外部載荷，將各個(gè)單元按照一定的順序，考慮單元之間的公用節(jié)點(diǎn)信息，將單元重新組裝起來，形成整體的有限元方程：

其中，{F}為結(jié)構(gòu)的載荷，包括作用在節(jié)點(diǎn)上的外部機(jī)械載荷、加速度載荷、溫度載荷、壓力載荷。

4 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

首先，在三維建模軟件中建立勵(lì)磁機(jī)的實(shí)體模型，利用通用有限元分析軟件ANSYS的WORKBENCH模塊分別對各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)果如下所示：

通過三個(gè)工況的靜強(qiáng)度計(jì)算，得到以下結(jié)論：勵(lì)磁機(jī)聯(lián)軸器滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)，熱套的接觸面仍然保有較大的剩余緊量，接觸狀態(tài)良好，沒有發(fā)生接觸面松動(dòng)失效。

但是該聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)存在局部高應(yīng)力區(qū)域，對于高應(yīng)力區(qū)域，建議結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行修改：1）聯(lián)軸器軸孔內(nèi)有臺(tái)階，導(dǎo)致應(yīng)力高，建議改成圓角（圖1）。2）聯(lián)軸器軸孔與導(dǎo)電孔之間厚度較小，導(dǎo)致出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，建議增加厚度（圖3）。

由于勵(lì)磁機(jī)直徑較小，因此，離心力的作用有限，接觸狀態(tài)很難被打破。從計(jì)算結(jié)果也可以看得出來。當(dāng)施加轉(zhuǎn)速10000 時(shí)（圖5），熱套的兩個(gè)部件仍然保有接觸狀態(tài)。

彎矩和扭矩作用下，可以從圖6判斷出螺栓連接位置仍然有較大的接觸壓力，說明螺栓的預(yù)緊力能夠克服各種工況載荷。

5 疲勞計(jì)算結(jié)果

對這種臥式轉(zhuǎn)動(dòng)部件，必須關(guān)注重力作用下引起的豎直方向應(yīng)力循環(huán)，在該應(yīng)力循環(huán)下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，這種疲勞損傷會(huì)造成結(jié)構(gòu)的失效造成損失。因此經(jīng)過靜強(qiáng)度計(jì)算后，還得考慮聯(lián)軸器的疲勞壽命在交變載荷下，利用疲勞分析軟件NCODE來進(jìn)行分析，得到一下分析結(jié)果：

由于兩個(gè)部件的應(yīng)力幅值非常低，因此計(jì)算的疲勞的結(jié)果為無限次數(shù)。

6 結(jié)論

該電動(dòng)機(jī)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明：在各種工況下，勵(lì)磁機(jī)聯(lián)軸器各個(gè)部分均滿足強(qiáng)度要求；在各個(gè)工況，聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸之間都存在一定的剩余緊量，分離轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)行的額定轉(zhuǎn)速；螺栓狀態(tài)良好，預(yù)緊狀態(tài)仍然能夠滿足各個(gè)工況的各種載荷要求；聯(lián)軸器和勵(lì)磁機(jī)軸的應(yīng)力幅很小，沒有超過疲勞極限，可以達(dá)到無限壽命。

作者簡介：張恩佳，1985年出生，2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，本科，現(xiàn)就職于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司。