温崇WEN CHONG曰王天锋WANG Tian-feng曰李琳琳LI Lin-lin
（南阳防爆集团股份有限公司，南阳473008）
摘要院根据具体案例，结合负载工况参数，对YB2-355S-10 90kW 电机主轴断裂进行分析，并利用Solidworks 及ANSYSworkbench 软件对分析和改进结果进行实例仿真，进一步优化电机主轴结构设计，使之更能适用于复杂工况。
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关键词 院电机主轴；断裂；仿真分析；优化改进
中图分类号院TD614 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2015）27-0070-03
0 引言
随着我国工业水平的发展，电动机被应用于越来越多的场合，而高启动转矩，较大瞬间冲击载荷等复杂工况条件，对电动机的设计提出了更高的要求。本文引用电动机拖动往复式压缩机，承受较大瞬间冲击载荷，并引起主轴断裂这一具体案例，对该工况下的电机主轴进行分析，并利用Solidworks 及ANSYS workbench 软件，对分析和改进结果进行实例仿真，进一步优化电动机主轴结构设计，使之更能适用于复杂工况。
1 电动机主轴断裂情况介绍
南阳防爆集团有限公司生产的一台低压隔爆型电动机YB2-355S-10 90kW，于2008 年出厂，配套国内某厂家往复式压缩机，联接方式为联轴器（重约30kg），用于山西某地CNG 加气站，2015 年5 月份用户反馈电机断轴，断裂位置和断面形貌特征如图1 和图2 所示。
从主轴断面形貌特征（图2）分析，电机主轴断裂经过疲劳源区，疲劳扩展区和突然断裂区，其中，疲劳扩展区面积大约占总面积的10%左右。从压缩机受力曲线图（图3）可以看出，虽然压缩机的综合扭矩图示最大仅有3kN·m，但系统承受的气体力最大可达23kN，电动机主轴承受较大的瞬间冲击载荷，且成反方向，周期性变化。
破坏。
3 电动机主轴疲劳强度的校核
4.3 利用ANSYS meshing 进行运算，得到主轴变形形状动画演示（图5）和主轴应力分布示意图（图6）、主轴应力分析放大图（图7）。
通过电机主轴的变形形状动画演示（图5）和主轴应力分布示意图（图6）、图7 分析，应力集中部位位于轴伸R2 处。最大值为69.6MPa，远远小于45 钢的屈服强度滓s=355MPa，证实了电动机主轴疲劳破坏应力和疲劳强度的估算结果，表明电动机主轴有足够的强度，主轴断裂的原因可能是在交变应力的反复作用下，电机轴伸R2 台阶处产生周而复始的扭转变形，疲劳裂纹源产生在应力集中部位，并在此扩展，不断延伸，最终导致主轴断裂。
5 改进措施
针对可能引起电机主轴断裂的原因，从以下几方面去分析改进主轴的设计：
5.1 面对具体的工况，改进轴的材质。电机轴常用轴材质为45 钢，提高其质量，增加热处理要求。当45 钢不能达到要求时，应该选用材质更好的40Cr、35CrMo 去替代，并增加热处理要求，提高材料的力学性能。
5.2 选择合理的结构设计和加工工艺，避免产生应力集中。
在电机轴的结构设计和加工工艺中，常会选择诸如越程槽，挡圈槽，阶梯过渡或轴肩等结构，如果槽结构不合理或不均匀，过渡圆角台小或轴径变化较大等，都会导致应力集中，在交变应力的作用下，这些部位逐步形成微观裂纹，且逐步扩展，最后导致轴突然断裂。应选择合理的结构设计和加工工艺，减少越程槽的使用，改为圆角过渡，避免轴径剧烈变化，减少应力集中。
5.3 充分利用计算机辅助设计，对复杂工况进行模拟。利用CAE 软件ANSYS 进行模态分析，大大缩短了设计周期，降低了设计成本，并能根据不同的工况，设定具体的参数，更加接近生产现场去模拟电机的运行，给设计人员以指导，选择最优的设计方案。
5.4 充分预估复杂工况，合理选型电动机。在复杂工况的条件下，对电动机选型不合理，比如瞬间冲击载荷，可能是正常载荷的数十倍；电机承受较大的轴向力或径向力等，应将诸如此类的情况考虑在内，并在电机定货时注明，以便采取特殊措施。
6 结语
综上所述，本次案例，是在交变应力的反复作用下，危险截面产生周期性的扭转变形，并在此扩展，不断延伸，最后导致主轴断裂，利用CAE 软件进行模态分析，演示了实际工况下电机主轴的运行状态，直观的显示了主轴危险截面的受力状况，并以此为指导，优化了电机主轴的结构设计，有效避免了可能引起主轴断裂的不利因素，对于复杂工况条件下电机的设计，有很大的帮助。
本文将CAE 软件ANSYS 与实际工况相结合，准确高效地分析了生产过程中出现的问题，达到了很好的效果，并为今后电机设计和现场问题的解决，提供了新的思路和方法。目前，该模式已经得到广泛的应用，新项目研发中计算机辅助设计的参与率达到100%，同时也使得新产品的试制成功率达到98%；对待问题电机的处理中，利用计算机进行实际工况模拟，抛弃了以前凭经验，排除法的老路子，从根源上把问题暴漏出来，对症下药，有效的解决了实际问题，不仅提高了效率，节省了成本，同时也带来了可观的经济效益。