電動機外風扇安裝螺栓分析

喬建偉

(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽473008)

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電動機外風扇安裝螺栓分析

喬建偉

(臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南南陽473008)

摘要簡要介紹了YXKK315-630電動機外風扇的基本數據、受力情況分析、螺栓強度計算、螺栓松動后的狀態(tài)、現場裝配工具條件及螺栓預緊力矩，最后通過分析得出螺栓斷裂的關鍵原因，并提出了解決螺栓斷裂的措施。

關鍵詞強度；電動機；外風扇；螺栓

0引言

2014年我公司成功開發(fā)了YXKK315-630系列高壓高效箱式三相異步電動機,在設計電動機外風扇時,考慮老式結構外風扇帶軸套且軸套與軸過盈配合[1],在外風扇安裝或拆卸時需要加熱，操作不方便,因此采用不帶軸套、直接把外風扇固定在軸上的結構，以便于拆卸。由于電動機在實際運行中的工況復雜、條件惡劣，如環(huán)境潮濕、灰塵大、過載系數高、運行時間長等，這就要求電動機具有可靠性更高、適應環(huán)境更強等特點。2015年3月，我公司一臺YXKK560-6電動機在西北某工廠接連兩次發(fā)生外風扇安裝螺栓斷裂故障，通過對該規(guī)格電動機外風扇安裝螺栓的受力情況及螺栓強度的分析研究，并根據研究結果制定了解決方案。

1外風扇基本數據

YXKK315-630系列高壓高效箱式三相異步電動機外風扇是整體鋼板焊接結構，由風扇內外板、扇葉、導風筒、平衡柱組成[2、3]，零部件焊接后進行精加工和高速動平衡，外風扇與主軸用安裝螺栓固定，外風扇結構示意圖見圖1。

基本數據：型號：YXKK560-6；額定功率：PN=900kW；額定電壓：UN=10000V；外風扇外徑：D=φ890mm；外風扇內徑：D1=φ550mm；外風扇平衡直徑：D2=φ780mm；外風扇安裝螺栓：M12×30(12.9級)；外風扇安裝螺栓孔節(jié)圓：d=φ110mm；外風扇重量：m=64kg；外風扇同步轉速：n=1000r/min；外風扇轉動慣量：I=7.2kg.m2；外風扇損耗功率：P=11.8kW(根據電動機型式試驗得出)。

2外風扇受力情況分析

2.1外風扇慣性矩受力

電動機在起動和停止過程中，由于外風扇慣性影響，外風扇將承受慣性矩，計算公式如下

由慣性矩M=Iα=fd/2

可以推出安裝孔節(jié)圓處的切向力

f=2M/d=2Iα/d

式中，M—慣性矩；f—切向力；α—角速度。

(1)電動機起動過程，假設空載起動時間t1=10s，起動過程為勻加速，則

同步角速度

ω=2πn/60=2×3.14×1000/60=105(rad/s)

角速度α1=ω/t1=105/10=10.5(rad/s2)

慣性矩M1=Iα1=7.2×10.5=75.6(Nm)

外風扇安裝節(jié)圓處的切向力

f1=2M1/d=2×75.6/0.11=1375(N)

(2)電動機驟停過程，假設停轉時間t2=1s，停止過程為勻減速，則

角速度α2=ω/t2=105/1=105(rad/s2)

慣性矩M2=Iα2=7.2×105=756(Nm)

風扇安裝節(jié)圓處的切向力

f2=2M2/d=2×756/0.11=13745(N)

2.2外風扇工作受力

風扇做功所需功率P∝n3，故電動機額定轉矩T=9550P/n，風扇所需轉矩T∝n2，故電動機在額定轉速工作時，外風扇所需轉矩最大，此時外風扇安裝孔處承受的切向力f3也最大[4]，由f3=2T/d可以計算外風扇做功時安裝孔節(jié)圓處承受的最大切向力。

風扇安裝節(jié)圓處的切向力

f3=2T/d=2×9550P/(nd)

=2×9550×11.8/(1000×0.11)

=2049(N)

2.3外風扇沖量矩受力

理想狀態(tài)下風扇質心在軸心線上，作用力無力臂，外風扇不受沖量矩。但實際中外風扇存在不平衡質量m1，不平衡質量的存在，使風扇承受沖量矩△P。

沖量矩△P=m1v

式中，v—不平衡質量點線速度。

企標QNF509—1997中規(guī)定，該外風扇許用不平衡量G×r=4500g·mm。由△P=m1v及v=ωr，可以推出△P=ωm1r=ω(G×r)/106，故△P=Ft，可以推出不平衡質量點處切向力F=△P/t=ω(G×r)/(t×106)。

根據力矩平衡原理，可以得到FD2=fd，由不平衡質量引起的安裝節(jié)圓處切向力f=FD2/d=D2ω(G×r)/(td×106)。

(1)電動機起動過程，假設空載起動時間t1=10s，起動過程為勻加速，則

沖量距△P=ω(G×r)/106=105×4500/106=0.473(Nm)

不平衡質量點處切向力F1=△P/t1=0.47/10=0.047(N)

風扇安裝節(jié)圓處的切向力f4=F1D2/d=0.047×780/110=0.335(N)

(2)電動機驟停過程，假設停轉時間t2=1s，停止過程為勻減速，則

沖量矩△P=ω(G×r)/106=105×4500/106=0.473(Nm)

不平衡質量點處切向力F2=△P/t2=0.47/1=0.473(N)

外風扇安裝節(jié)圓處的切向力f5=F2D2/d=0.047×780/110=3.35(N)

沖量矩在外風扇安裝節(jié)圓處產生的切向力很小，安裝孔節(jié)圓處的切向力可以忽略此項。

2.4外風扇受離心力

外風扇旋轉時承受離心力，離心力作用方向為徑向，考慮外風扇與軸風扇臺配合間隙遠小于安裝螺栓與安裝孔的間隙(安裝孔位置偏差異常的情況不考慮)，離心力由軸風扇臺承受，安裝孔不承受離心力[5]。

2.5最大靜摩擦力

最大靜摩擦力fmax=μFn

式中，μ—靜摩擦系數，本例中μ=0.15；Fn—正壓力，本例中等同于外風扇安裝時螺栓的預緊力。螺栓預緊力越大，外風扇的最大靜摩擦力越大。

最大靜摩擦力與上述分析的4種力屬性不同，上述4種力可以歸屬為作用力，而最大靜摩擦力為反作用力，靜摩擦力用于抵消上述4種力的合力作用。只有最大靜摩擦力大于上述4力合力時，才能防止外風扇相對軸轉動。

2.6外風扇受力情況綜述

通過上述分析，外風扇安裝孔處所承受的切向力主要為慣性矩產生的切向力和外風扇工作時產生的切向力[6]，最大切向合力(電動機由同步轉速突然降速的瞬間)f=f2+f3=15794N。

按照設計要求fmax≥f，可以計算安裝螺栓所需的最小預緊力Fn≥f/μ=105kN。若外風扇有6個安裝螺栓，一個螺栓的平均預緊力至少為17.5kN。

3螺栓強度計算

3.1不同強度螺栓預緊力計算

螺栓預緊力F0=(0.5～0.7)σsAs

式中，σs—螺栓材料的屈服極限，N/mm2(MPa)，σs可查GB/T3098.1—2000中表3螺栓、螺釘和螺柱的機械和物理性能獲得；As—螺紋危險截面的截面積，mm2，As可查GB/T3098.6—2000中附錄A表A1螺紋的應力截面積獲得。

下面以4.8級、8.8級、12.9級三種強度和M12、M16兩種規(guī)格，共6種規(guī)格螺栓分別計算單個螺栓的最小預緊力F0，并與2.6中計算的平均預緊力17.5kN比較，判斷螺栓的預緊力是否能夠滿足設計要求。

4.8級M12螺栓的最小預緊力F0=0.5×300×84.3=12.6kN≤17.5kN，該規(guī)格螺栓不能滿足設計要求。

8.8級M12螺栓的最小預緊力F0=0.5×640×84.3=26.9kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿足設計要求。

12.9級M12螺栓的最小預緊力F0=0.5×1080×84.3=45.5kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿足設計要求。

4.8級M16螺栓的最小預緊力F0=0.5×300×157=23.5kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿足設計要求。

8.8級M16螺栓的最小預緊力F0=0.5×640×157=50.2kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿足設計要求。

12.9級M16螺栓的最小預緊力F0=0.5×1080×157=84.7kN≥17.5kN，該規(guī)格螺栓滿足設計要求。

經過上述對螺栓最小預緊力的計算說明：在理想狀態(tài)下，除4.8級M12的螺栓不能滿足要求外，其余5種規(guī)格均能滿足設計要求。在最壞的情況下，僅單個螺栓受力，上述6種規(guī)格均不能滿足設計要求。

3.2螺栓剪切應力計算

根據相關標準，螺栓材料的許用切應力[τ]=σs/2.5 ，則3種強度螺栓的[τ]分別為120MPa、256MPa和432MPa。假設只有單個螺栓受剪切力，計算螺栓的剪切應力τ=f/As，并與許用切應力[τ]比較，判斷螺栓強度是否滿足要求。

8.8級M12螺栓的剪切應力τ=15794/84.3=187MPa≤256MPa，該規(guī)格螺栓強度滿足設計要求。

4.8級M16螺栓的剪切應力τ=15794/157=101MPa≤120MPa，該規(guī)格螺栓強度滿足設計要求。

經過上述對螺栓剪切應力的計算說明，在外風扇自身產生的剪切力作用下，只要安裝一個8.8級M12螺栓或4.8級M16的螺栓即可滿足強度要求設計。

3.3結論

經過3.1和3.2的分析計算，外風扇與軸未發(fā)生相對滑動時，外風扇采用8.8級的M12螺栓或4.8級M16的螺栓即可滿足設計要求。由以上計算說明，外風扇安裝螺栓斷裂是發(fā)生在螺栓松動后，以下將分析螺栓松動后的狀態(tài)。

4外風扇螺栓松動后的狀態(tài)

轉子的轉動慣量Ir=122kgm2，由2.1慣性矩受力分析中可知，驟停過程，慣性矩大，先假設一個驟停過程，假設停轉時間t2=1s，停止過程為勻減速。

在此假設狀態(tài)中，由于外風扇安裝螺栓松動，轉子又降速極快，我們可以認為此過程為外風扇對轉子的堵轉過程，且風扇不受靜摩擦時，外風扇的空間位置未發(fā)生變化，轉子的轉矩全部由外風扇安裝螺栓承受，則

角速度α2=ω/t2=105/1=(105rad/s2)

慣性矩M3=Irα2=122×105=12810(Nm)

風扇安裝節(jié)圓處的切向力f6=2M3/d=2×12810/0.11=232909(N)

在剪切力f6的作用下，計算螺栓的剪切應力

M12螺栓的剪切應力τ=232909/84.3=2763MPa≥432MPa(12.9級)，該規(guī)格螺栓強度不能滿足設計要求。

M16螺栓的剪切應力τ=232909/157=1483MPa≥432MPa(12.9級)，該規(guī)格螺栓強度不能滿足設計要求。

下面進行逆向運算，求解12.9級螺栓的螺紋危險截面的截面積As。為滿足設計要求As≥f6/[τ]=539mm2，查GB/T3098.6—2000中附錄A表A1螺紋的應力截面積,按As≥539mm2，我們需要選用M30的螺栓。

若停轉時間t2延長為2s，則f6=109773N，As≥270mm2(12.9級)，我們需要選用M24的螺栓。

若停轉時間t2延長為5s，則f6=43909N，As≥108mm2(12.9級)，我們需要選用M16的螺栓,此過程可以認為等同于空載起動。

若停轉時間t2延長為10s，則f6=21955N，As≥54mm2(12.9級)，我們需要選用M10的螺栓,此過程可以認為等同于輕載起動。

通過上述假定條件計算，我們可以得出這樣的結果：在電動機空載起動過程中，起動時間一般在5s以內，若螺栓松動或螺栓預緊力不夠的情況下，12.9級的M12螺栓將會被剪斷。

5現場裝配工具條件及螺栓預緊力矩

5.1螺栓安裝用風槍基本情況

裝配現場使用的風槍型號為F323-48，空載轉速8500r/min，耗氣量119L/min，自由轉速800r/min，最大扭力647Nm，工作壓力6.3kg/cm2(相當于0.62MPa)，4擋速度調節(jié)，正逆轉換。

裝配現場氣源壓力5kg/cm2(相當于0.5MPa)，小于風槍工作壓力，估計風槍最大扭力將會下降為513Nm。

5.2外風扇安裝螺栓所需要的預緊力矩

螺栓預緊力矩M=0.2FD

式中,F—螺栓預緊力，N；D—螺栓直徑，m。

下面通過分析2.6、3.1中的計算數據，我們分別計算一下M12和M16螺栓所需要的預緊力矩。

(1)滿足風扇安裝所需最小預緊力要求的螺栓預緊力矩M

對M12的螺栓，預緊力矩M=0.2×17.5×12=42(Nm)，比較5.1中風槍扭力，滿足此預緊力矩要求很容易。

(2)滿足12.9級螺栓安裝所需最小預緊力要求的螺栓預緊力矩M

對M12的螺栓，預緊力矩M=0.2×45.5×12=109Nm，比較5.1中風槍扭力，可以滿足此預緊力矩要求。

對M16的螺栓，預緊力矩M=0.2×84.7×16=271Nm，比較5.1中風槍扭力，可以滿足此預緊力矩要求。

6結語

通過上述分析，我們可以得出螺栓松動是導致螺栓斷裂的關鍵原因，解決螺栓斷裂問題的關鍵在于解決螺栓松動問題。鑒于此，提出以下三條改進措施：(1)加長安裝螺栓的連接長度，通過增加螺紋接觸面積防松，螺紋連接的有效長度建議按2倍螺紋直徑選用；(2)安裝螺栓由M12改為M16；(3)增加外風扇安裝螺栓裝配要求，螺栓安裝時要求分兩次緊固，安裝時，調整風槍檔位。例如安裝12.9級M16螺栓時，初次緊固時采用一個扭力150Nm(相當于0.5M)左右的檔位；再次緊固時，采用一個扭力300Nm(相當于M)左右的檔位。經過以上三項措施的實施，我公司生產的YXKK315-630系列高壓高效箱式三相異步電動機外風扇安裝螺栓沒有再次發(fā)生斷裂，現在正安全運行。

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AnalysisontheMountingBoltofMotorExternalFan

Qiao Jianwei

(WolongElectricNanyangExplosionProtectionGroupCo.,LtdNanyang473008,China)

AbstractAnalysisonbasicdataandforcesituation,calculationofthemountingboltstrength,conditionafterbootlooseness,on-siteassemblytoolandboltpretighteningtorqueofexternalfanofYXKK315-630arebrieflyintroducedinthispaper,keyreasonwhyboltbreakdownisfinallyobtainedbasedonanalysis,andmeasurestosolveboltbreakdownareproposed.

KeywordsStrength；motor；externalfan；bolt

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.13

中圖分類號：TM303

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)03-0040-004

作者簡介：喬建偉男1975年生；畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學院電機電器及其控制專業(yè)，現從事高壓電動機的設計與開發(fā).

收稿日期：2016-01-18