軌道牽引電機導條漲緊方案

任曉輝, 許曉亮, 陳薦英, 王宇航

中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016)

0 引 言

隨著軌道交通車輛向高速、重載方向發展，對產品可靠性、舒適性要求愈加嚴格。牽引電機作為關鍵性設備，其運行性能直接影響列車性能，是軌道交通車輛發展的基礎。軌道牽引電機在運行中轉速波動大，轉子需承受變化幅度大的交變載荷，易發生導條斷條、斷齒等轉子端部故障。轉子端部穩定性受幾何結構參數、加工工藝等隨機因素影響，如何保障端部設計要求，增強導條懸臂剛度，降低端部故障，提升端部緊固工藝是設計人員需要攻克的難點[1]。已有文獻針對轉子端部結構設計進行了較為深入的研究，文獻[2]對轉子槽口深度與槽配合對電機性能影響展開研究；文獻[3]對異步牽引電機鐵心開展各項異性等效參數識別，獲得有效鐵心仿真模型；文獻[4]對導條性狀影響電機性能開展分析；文獻[5]通過斷口檢測分析與導條受力計算分析鼠籠式端部轉子斷條故障，明確導條漲緊狀態為故障來源；文獻[6]討論了轉子故障的修復工藝，將漲緊列為修復必要工序，同時對漲緊工裝與工藝參數進行了約束。此外，還開展了漲緊具體實施過程與影響研究：如何實現漲緊自動化與多樣化[7-9]、導條漲緊不良影響等[10-12]。這些研究均表明導條漲緊的重要性，但沒有深入分析漲緊方案與槽內導條結構響應的關聯性。

漲緊是通過對轉子導條施加外部徑向力使導條尤其是導條頂部產生塑性變形緊貼鐵心槽口位置，從而將導條緊固于轉子槽內，提高轉子導條抵抗離心力、電磁力等復合作用力能力，增強轉子端部穩定性，降低導條松動或是斷條風險，提升電機運行可靠性。

本文應用有限元分析方法對不同導條漲緊方案開展對比研究，建立對當前導條結構的受力影響對比，初步了解到牽引電機導條壓槽彈-塑變化與漲緊參數敏感度關系，從而獲得導條緊固工藝改善依據，為設計合理轉子槽型及新產品工藝方案提供了參考。

1 理論基礎

1.1 材料彈塑性理論

實際結構中，材料處于復雜的受力狀態，當結構受力超過屈服極限時，應力與應變呈非線性關系，并產生不可逆變形，卸載后出現殘余應變現象，則其變形為彈塑性變形，包含彈性變形與塑性變形。常規金屬材料在線性彈性范圍內，外力、應力、應變等各量間成線性關系；材料進入塑性狀態后，應力、應變等成非線性關系，而且不一一對應。采用彈塑性設計，使結構的總體受力處于彈性狀態，局部區域允許進入塑性狀態，既保證高的總體性能，又保證安全可靠。

塑性變形是由剪應力(偏應力)所造成的原子平面的滑動引起。這種錯位移動本質上是原子在晶體結構重新排列，造成卸載后不可恢復的應變或永久變形。材料進入塑性階段后，應力-應變關系變得復雜，難以用簡單的解析表達式將σ-ε(σ為應力，ε為應變)試驗曲線精確描繪出來。在實際的理論分析與工程計算中會依據結構特點進行適當簡化[13]，對于線性強化材料，整個曲線分為2段，在彈性階段ε≤εs時，材料呈線性彈性，服從胡克定律，σ=Eε；當ε≥εs時，材料進入線性應變強化階段，σ-σs=ET(ε-εs)。其中，ET為強化曲線斜率，一般材料的ET比彈性模量E小得多。即:

(1)

材料應力-應變曲線工程簡化示意圖如圖1所示。

圖1 材料應力-應變曲線工程簡化示意圖

1.2 有限元理論基礎

有限元方法，也稱為有限單元法，是解決工程和數學、物理問題的數值方法，基本概念就是將復雜的物理對象進行離散化，再采用基于子域的試函數描述；通過對所有子域誤差的加權集成處理來建立整體系統的分析方程，再利用計算機強大的數值處理能力，就可以對任意復雜的問題進行數值求解。

在線性靜力結構分析當中，位移矢量{x}可通過矩陣方程得到:

[K]{x}={F}。

(2)

式中：剛度[K]為連續的，材料為線彈性材料。非線性靜態分析中,剛度[K]依賴于位移{x}，不再是常量[K(x)]{x}={F},即非線性求解需要反復迭代以獲得精確解。

ANSYS Workbench塑性計算中的雙線性隨動強化模型(包含Bauschinger 效應)，常用于大應變分析，描述為雙線性有效應力與有效應變曲線。曲線的初始斜率等于材料的楊氏模量。超過規定的屈服強度值，塑性應變發展沿切線模量(ET)定義的斜率直線繼續。切線模量不能小于零或大于彈性模量。

2 研究過程

2.1 仿真方案

異步牽引電機主要由定子和轉子2部分組成，轉子通常采用導條式鼠籠型結構，由轉子鐵心、轉子導條、端環、壓板等零部件組成。為了確保高速旋轉時的安全，保障轉子端部強度與剛度，在端環外周有時設有護環結構進行保護。圖1為某型牽引電機轉子結構示意圖。

圖2 轉子結構示意圖

轉子銅導條漲緊工序是電機生產環節中的重要一環，工藝實踐中是通過前端帶有沖頭的沖撞機對轉子槽口導條頂面進行沖撞漲型。以某款牽引電機轉子為分析對象，導條截面形式為梯形，開展不同漲型接頭、不同漲型深度的漲緊研究。導條漲緊方案如圖3所示。

圖3 導條漲緊方案

考慮在沖頭作用下導條的彈塑性變化情況，將沖頭按剛性體設置，載荷為強制位移載荷。材料的真實塑性行為是比較復雜的，若是要通過仿真得到比較準確的計算結果，準確的本構模型非常關鍵。根據導條與鐵心裝配特征，按前述分析進行彈塑性工程計算簡化，材料參數定義中，對鐵心和導條采用雙線性隨動強化設置，三維實體單元建模。

導條材料為銅合金，具體參數如表1所示。

表1 材料參數

2.1.1 計算方法

應用ANSYS Workbench有限元分析軟件進行分析，基礎模型在三維繪圖軟件Creo中導出。轉子鐵心槽與導條具有圓周均布特征，為了縮短非線性計算時間，使用對稱設置進行模型處理，保留1個完整導條，當轉子槽數為n，即取整個模型的1/n。

因為材料的塑性應變是不可逆的,并且塑性應變要消耗能量,所以塑性是一種路徑相關問題，與加載歷史有關。為了確保精度，分析設置中采用多子步，緩慢加載，同時在子步中限制累加塑性應變量，用二分法控制修正。

2.1.2 約束與加載

對稱邊界，軸向施加無摩擦支撐，沖頭剛體屬性，沖頭頂面設置壓入位移量(參數為0.8、0.9、1.0 mm)。

2.2 計算結果與分析

根據漲緊深度進行加載設置，使得導條沖頭滾壓過程中經過彈-塑性變形后形成壓槽，對導條兩側上頂面與底面生成高應力分布區。通過多工況計算，得到不同漲緊量、不同沖頭方案下導條、鐵心的應力及變形分布，以及接觸面應力線形圖與接觸狀態分布趨勢，為判斷漲緊方案的適用性及后期開展驗證對比提供了良好基礎。

2.2.1 整體應力及變形分布說明

各工況下應力及位移如表2所示。

表2 各工況下應力及位移

圖4 導條、鐵心應力分布云圖

圖4～圖6為導條鐵心的云圖。

通過導條應力分布云圖分析，除沖頭接觸處高應力區域外，導條頂部、頂部圓弧過渡起始處、靠近底部側面及底面圓弧處均為高應力區域，則在沖頭作用下，均為導條塑性易產生的位置。鐵心應力分布主要集中在槽口與槽底處。2種沖頭方案下應力分布一致，隨著漲緊量增大，鐵心應力極值增大，易致鐵心該部位產生損傷。1.0 mm深度漲緊量下，尖角方案鐵心應力極值最大達到237.02 MPa。

圖5 導條、鐵心變形分布云圖

2種沖頭方案下變形分布一致，導條變形為彈塑性變形，主要在頂部沖頭漲緊接觸區域；鐵心主要為槽底與槽口區域發生的彈性變形。各工況下圓角方案鐵心變形量均略大于尖角方案，結合導條變形云圖分布，圓角沖頭形成的導條塑性變形區域明顯大于尖角沖頭。

總體比較，應力分布方面尖角略顯集中，極值數據上尖角大于圓角；變形影響方面圓角沖頭形成的塑性影響區大于尖角。圓角仿真結果優于尖角結果。

2.2.2 槽內接觸面應力分布

對梯形導條側面建立應力路徑，起始位置為槽底圓弧切點，終止位置為導條頂部圓弧側邊切點，對應鐵心配合槽邊建立路徑，開展基于導條與鐵心的應力路徑分析對比。

圖6 導條、鐵心應力路徑分布云圖

從ANSYS后處理中導出路徑應力值數據，分別建立導條側邊、鐵心槽側邊在不同沖頭方案的路徑應力分布對比，如圖7、圖8所示。

圖7 導條側邊應力分布線性關系圖

圖8 鐵心槽側邊應力分布線性關系圖

相同漲緊深度下，2種方案應力分布趨勢基本一致。從導條應力路徑對比可以得出，圓角方案極值出現在靠近導條頂部位置，尖角方案極值出現在靠近導條底部位置，圓角在側邊形成的漲緊能力大于尖角。鐵心應力路徑對比則說明，圓角方案路徑兩側應力幅值一致條件下，槽內中間部分整體應力高于尖角方案，說明導條該位置出現載荷傳遞，貼緊度高。

2.2.3 槽內接觸壓力與接觸狀態

對比槽內導條與鐵心接觸狀態與接觸壓力并分析。各方案導條槽內接觸狀態、接觸壓力分布云圖如圖9所示。

圖9 各方案導條槽內接觸狀態、接觸壓力分布云圖

接觸狀態云圖方面，尖角方案在導體頂部形成的粘結范圍小于圓角方案，同時在圖9中，雖然尖角極值大于圓角，但接觸高壓力分布影響范圍上弱于圓角。綜合導條、鐵心側邊應力分布特征與線性數據對比，圓角方案形成的漲緊預緊力效果優于尖角方案。

綜上所述，在給定漲緊量條件下，圓角方案更易在轉子槽口靠近頂部區域保持高漲緊的效果，抑制離心力等徑向力載荷作用比尖角方案更為有效。

3 工藝驗證

3.1 技術設計

滾壓漲型機由滾壓系統、工作臺、床身組成。轉子滾壓漲型時，通過工作臺上的支撐輪對轉子進行定位。滾輪通過液壓和鉸鏈機構實現升降，電機轉子通過伺服電機進行分度，工作臺通過機床主體上的滾珠絲杠實現往復運動，進行導條滾壓。轉子導條滾壓系統如圖10所示。

圖10 轉子導條滾壓系統

3.2 工藝分析

開展不同滾壓方案下沖頭壓入深度對導條變形的影響分析，對滾壓深度與槽寬變化進行比較。列出槽寬2.20 mm的導條漲緊變化數據，并通過木錘敲擊確定導條槽內松緊程度。漲緊后槽寬影響統計如表3所示。

表3 漲緊后槽寬影響統計

對圓角截面滾刀與尖角截面沖頭滾壓后導條截面性狀開展測試比較。導條截面示意與實際測量過程實物圖如圖11所示。導條漲緊影響測量值如表4所示。

圖11 導條截面示意與實際測量過程圖片

表4 導條漲緊影響測量值

拆解部分導條進行漲緊情況驗證(手工漲緊圖片)，結合導條表面壓痕狀態，與仿真結果中接觸狀態較為匹配，說明仿真方案的有效性。拆解導條實物壓痕如圖12所示。

圖12 拆解導條實物壓痕

工藝驗證過程中，對比實測數據，在導條高度基本一致條件下，圓角方案對導條頂端厚度形成的增量大于尖角方案，考慮到漲緊效果來源于鐵心槽兩側的摩擦實現，因此沖頭圓角方案優于尖角方案。

4 結 語

本文通過建立針對牽引電機轉子導條漲緊分析方案，仿真分析了沖頭截面形狀對導條漲緊后，導條及鐵心應力分布，接觸狀態及側邊形成的漲緊影響，對比工藝實際驗證與統計，取得了以下主要成果：

(1) 仿真方案與工藝驗證均明確了導條漲緊量為影響導條緊固效果的重要參數，通過數據對比反饋，合適的漲緊量對于保障轉子端部穩定性起到重要作用。

(2) 通過仿真對側邊應力路徑與接觸狀態比較，圓角方案在漲緊效果上優于尖角方案；工藝驗證中沖頭圓角方案對導條在槽內形成的厚度增量大于尖角方案。

(3) 通過對銅合金材質導條漲緊研究，應選擇沖頭截面為R0.90～R0.95 mm的圓形沖頭，滾壓深度范圍在0.75～0.90 mm之間，既能保障導條漲緊，同時有效控制齒的變形，降低齒根部應力。

(4) 對導條漲緊的仿真及試驗為后續工藝方案的改進提供了依據。