高轉(zhuǎn)速電機旋轉(zhuǎn)部件強度分析

遲恩巖

(大慶煉化公司,黑龍江大慶 163000)

0 引言

電機的設計轉(zhuǎn)速決定著其整機性能以及可靠性設計,隨著工業(yè)化的高轉(zhuǎn)速發(fā)展,對高轉(zhuǎn)速電機的需求日益提升,它符合高功率密度、小型化、高效性、快速響應的集成模塊化特征。因此,也增加了電機旋轉(zhuǎn)部件設計的難度,對電機整體方案設計帶來了一定的困難。如果不能降低優(yōu)化高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)動部件帶來的過渡離心載荷,零件將很有可能出現(xiàn)各種形式的應力失效(如疲勞、屈服、斷裂破損等),同時考慮到電機轉(zhuǎn)子受到電磁以及溫度場的影響耦合的而產(chǎn)生的熱應力,故高轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)子強度設計十分關鍵,并且對電機可靠性與安全性設計具有重要意義。

本文涉及到電機旋轉(zhuǎn)部件強度分析內(nèi)容涵蓋電機模型的接觸應力計算校核分析、過盈機械應力計算校核分析、普遍模型軸向應力計算以及Mises應力計算等。通過不同應力類型計算結(jié)果對比,了解高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動部件強度分析計算過程,對提升旋轉(zhuǎn)部件強度分析與設計能力具有一定的工程借鑒意義[1、2]。

1 旋轉(zhuǎn)部件度強度應力模型的構(gòu)建

高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動部件大多具有永磁體護套結(jié)構(gòu),見圖1,包括護套、部件、轉(zhuǎn)軸等。

圖1 旋轉(zhuǎn)部件護套結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)形式,應力模型與結(jié)構(gòu)模型應保持基本的對稱形式,以此為基礎確定數(shù)學模型構(gòu)建的解析對稱軸,建立應力數(shù)學模型時還應,還需要設置數(shù)值模型的約束條件即兩端的約束。結(jié)合上述思路、條件構(gòu)建平衡應力微分方程、解析本構(gòu)方程、溫度場條件下本構(gòu)方程,見式(1)、式(2)、式(3)、式(4)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,E—彈性模量;ν—泊松比;ε—應變;r—微元體上一點到原點的距離;σ—半徑處的應力;α—熱膨脹系數(shù);下標r—沿半徑方向;下標θ—沿周向方向;下標z—沿軸向方向。

除此之外還需建立,強度校核準則,根據(jù)以往設備運行經(jīng)驗,高轉(zhuǎn)速電機旋轉(zhuǎn)部件在工作的強度準則模型,本文采用Mises強度理論,該理論以任意材料的屈服假設為基礎構(gòu)建了周向應力、軸向應力、徑向應力在圓柱坐標下的數(shù)學模型見式(5),同時結(jié)合本工程案例高轉(zhuǎn)速電機旋轉(zhuǎn)部件,將其視為“平面規(guī)整化對稱模型”故見式(5)變型為式(6)。

(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2+6(τrθ2+τθz2+τzr2)=2σs2

(6)

(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2=2σs2

(7)

對式(7)做進一步演化變型調(diào)整,將旋轉(zhuǎn)部件實際的材料屈服極限代入,得到整體屈服條件判定校核準則見式(8)。

(8)

式中,[σ]—高轉(zhuǎn)速電機旋轉(zhuǎn)部件材料的許用應力極限。

2 旋轉(zhuǎn)部件非工作狀態(tài)下應力分析計算

上面介紹了本文需要分析的高轉(zhuǎn)速電機旋轉(zhuǎn)部件主要包括護套、部件、轉(zhuǎn)軸,由于結(jié)構(gòu)的限制以及設計準則的需要,護套徑向尺寸遠比部件1以及轉(zhuǎn)軸要小,因此護套1是整個轉(zhuǎn)配件的“應力危險”部件,將對它進行應力校核分析。

在電機轉(zhuǎn)子靜止時由工作環(huán)境對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有一個壓力載荷見圖2,此部分載荷大小一般于轉(zhuǎn)動部件內(nèi)外徑有關以及材料有關(圖中尺寸b與c),在進行工作狀態(tài)應力分析前應對此種狀態(tài)下進行應力計算,計算結(jié)果見圖3、圖4、圖5。

圖2 轉(zhuǎn)動部件靜止狀態(tài)下受力情況

圖3 非工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)動部件合成Mises應力計算結(jié)果

圖4 非工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)動部件應力計算結(jié)果

圖5 常溫運行態(tài)與非工作狀態(tài)應力對比匯總

從計算結(jié)果可以看出,高轉(zhuǎn)速電機在非工作狀態(tài)下,“應力危險”旋轉(zhuǎn)部件Mises合成應力、周向應力隨半徑尺寸的增大而減小,徑向應力與之相反,軸向應力基本保持不變。

3 旋轉(zhuǎn)部件工作狀態(tài)下應力研究

由于本文所涉及到工程案例電機包括兩種工況即常溫運行態(tài)(40℃～50℃)與高溫運行態(tài)(120℃～170℃),因此需要分別計算兩種工作狀態(tài)下應力分布情況。應用應力數(shù)學模型對常溫運行態(tài)與非工作狀態(tài)、高溫運行態(tài)與常溫運行態(tài)的應力分布進行了對比分析計算結(jié)果見圖5、圖6。

從計算對比看出,由于離心載荷的作用使得各種類型形式的應力均提高(其中徑向應力增加不多),應力的變化趨勢為發(fā)生變化。

從高溫運行態(tài)與常溫運行態(tài)應力計算對比可以看出,前者應力進一步增加,主要原因,除承受系統(tǒng)載荷、離心載荷的作用外,高溫運行時承受溫度載荷,使得各種類型形式的應力進一步提高,應力的變化趨勢與非工作運行狀態(tài)、常溫運行態(tài)基本保持一致。

4 結(jié)語

本文首先論述了高轉(zhuǎn)速電機旋轉(zhuǎn)部件強度設計對電機安全性、可靠性以及性能的影響,然后建立基于工程實際案例的旋轉(zhuǎn)部件應力數(shù)學模型與強度設計準則,以此為基礎對轉(zhuǎn)動部件非工作態(tài)、常溫運行態(tài)、高溫運行態(tài)的應力進行對比,分析研究了不同工況狀態(tài)對各種類型應力的影響。在旋轉(zhuǎn)部件安全可靠性設計方面具有一定的借鑒意義。