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隔爆电机主轴的断裂分析及优化设计

  • 投稿荟荟
  • 更新时间2015-09-16
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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。