凸臺高度評估與承載安全的方法范文

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《大電機技術雜志》2016年第4期

摘要：

轉子導條端部斷裂是鼠籠式電機的常見故障，前人已對斷條的原因進行了大量的研究。但在電機檢修階段，如何評估導條承載的安全裕度，尚未見相關報道。作者在電機拆解過程中，發(fā)現(xiàn)斷裂導條的頂部均存在明顯的凸臺，而凸臺較淺的導條均未發(fā)生斷裂，提示凸臺高度與斷條存在關聯(lián)。文章建立了不同凸臺高度的轉子分析模型，在典型高轉速2250r/min，溫度由20℃升至180℃的工況下，定量分析了凸臺高度與導條應力的關系。提出一種可在電機檢修階段,評估導條承載的安全裕度的新方法。

關鍵詞：

鼠籠式電動機；導條斷裂；導條凸臺；有限元；應力

0引言

鼠籠式三相異步電動機廣泛應用于當今社會的各個行業(yè)和領域。在鐵路運輸行業(yè)中，作為機車動力源的鼠籠式三相異步電動機，其斷條問題是至今仍是困擾該行業(yè)的一大難題。斷條現(xiàn)象如果不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，將損壞轉子鐵芯結構、刮傷定子繞組，甚至導致事故發(fā)生。因此，若在電機檢修過程中，能夠評估導條的承載安全裕度，預防斷條的產(chǎn)生，將具有一定的實用價值。

1斷條原因分析及斷條特征

通過理論研究和實踐總結，科研人員目前將斷條原因大體歸納為如下幾個方面：（1）在電機啟動過程中，導條在徑向電磁力和離心力共同作用下產(chǎn)生受迫周期性振動，此周期性振動會導致導條與端環(huán)焊接區(qū)域形成疲勞損傷[1][2]（2）導條和端環(huán)不合理的焊接結構和不規(guī)范焊接工藝導致的缺陷[3][4]，成為斷條的潛在發(fā)生點。（3）電機運行中，由于導條和端環(huán)受熱不均勻，在熱應力驅動下，導條和端環(huán)焊接區(qū)域產(chǎn)生疲勞損傷[2][5]。（4）電機啟動過程中，導條中存在很大的感應電流，而導條與端環(huán)焊接區(qū)域電阻較大，因此發(fā)熱嚴重。這將造成焊接區(qū)域材料損失和結構軟化。若電機短時間內(nèi)頻繁啟動和重載啟動，可能導致斷條的發(fā)生[2][3][5]。同時，亦有大量關于轉子斷條故障檢測的研究工作見于報道[6][7]。但如何在電機服役期間評估導條承載的安全裕度,尚未見相關研究工作的報道。本文研究的鼠籠式三相異步電機在圓周相距120°三個位置，呈品字形楔緊三根導條的中部，其余導條在鐵芯槽內(nèi)呈自由狀態(tài)。作者拆解圖1.a所示發(fā)生斷條的電機轉子，發(fā)現(xiàn)了一個目前文獻中尚未提及的現(xiàn)象。斷裂導條的頂面普遍存在明顯凸形臺階，如圖1.b所示。觀察對比楔緊導條和未楔緊的自由導條發(fā)現(xiàn)，楔緊導條的頂面雖然也有凸形臺階，但均較淺，未發(fā)現(xiàn)斷條現(xiàn)象。斷條全部都發(fā)生在未楔緊的自由導條中。自由導條的凸臺高度明顯大于楔緊導條，提示凸臺高度與斷條可能存在相關性。盡管凸臺形成的原因尚待研究，下文將通過有限元模擬方法，分析凸臺高度和導條承載應力水平的關系，從而探索通過凸臺高度評估導條承載危險程度的方法。

2有限元模型的建立

導條與鐵芯的裝配關系圖，如圖2.a所示。在電機未轉動時，導條底部與鐵芯槽底部保持接觸，導條頂部與鐵芯槽頂部存在一間隙。合理的設計間隙既能允許導條熱彎曲變形不受鐵芯槽頂約束，又能在高轉速時使導條頂部與鐵芯槽頂部發(fā)生接觸，抑制離心力導致的彎矩，改善導條的受力條件。當導條頂部出現(xiàn)凸臺后，由于頂面的材料損失，導條頂面便嵌入鐵芯槽口。需在更高轉速下，導條才與鐵芯槽頂面發(fā)生接觸，這相當于增大了導條與鐵芯槽頂部的間隙，參看圖2.b。下面將應用有限元模擬手段，分析電機在高速運轉和極限溫升工況下，導條凸臺高度分別為0mm、0.632mm、1.132mm和1.632mm時（對應導條與鐵芯槽頂間隙分別為0.368mm、1mm、1.5mm和2mm），導條的凸臺高度對導條應力水平的影響。本文根據(jù)某型電機轉子設計圖進行建模，模型包括導條、端環(huán)、鐵芯、轉動軸等主要部分。由于轉子裝配體是軸對稱結構，可取其十二分之一建立軸對稱模型。圖3中的面1和面2為軸對稱面，面3為橫向對稱面。有限元網(wǎng)格劃分采用ANSYS軟件中的Solid185三維8節(jié)點單元。有限元模型共包含88790個單元，117098個節(jié)點。考慮軸對稱模型的特點以及電機轉子的工況，在面1和面2上施加軸對稱約束。面3上施加軸向位移為0的約束。模型各部件的材料參數(shù)如表1所示。轉子轉動時的離心力與轉速直接相關，根據(jù)電機公司提供數(shù)據(jù)，該型電機在高轉速工況中，2250r/min轉速出現(xiàn)頻率較多，因此有限元模型基于此轉速進行分析。另外，轉子通常在高溫條件下工作，因此模擬中必須考慮溫度效應。通常環(huán)境參考溫度取20℃。轉子工作時的最高溫度，取電機公司依據(jù)測試數(shù)據(jù)給定的180℃。這樣確定了轉速和溫差的最不利工況組合。

3臨界凸臺高度的確定及安全裕度評估

由于導條頂面的凸臺是在電機運行過程中產(chǎn)生的，因此只有在導條與鐵芯槽間隙設計合理的前提下，討論凸臺高度對承載安全的影響才有意義。按照電機設計圖，文章首先計算了在設計間隙為0.368mm（即導條凸臺高度為0mm），溫度由20℃升至180℃時的溫度應力。計算結果顯示，在極限溫升工況下，導條、鐵芯和端環(huán)均發(fā)生膨脹，但徑向膨脹效應略有不同，導條頂面與鐵芯槽頂面的最小間隙縮小至0.2mm左右。尚存的間隙說明溫升膨脹并未導致鐵芯限制導條的彎曲變形。考慮裝配公差，0.368mm的設計間隙基本合理。當轉子裝配體的溫度由20℃升至180℃時，最大等效應力出現(xiàn)在導條與端環(huán)的焊接處，應力區(qū)間為22.6~25.4MPa，如圖4所示。下面保持20℃至180℃的溫升幅度不變，分析導條凸臺高度從0mm，逐漸增加至0.632mm、1.132mm和1.632mm時，在2250r/min轉速下，導條的應力分布狀態(tài)和應力水平。模擬結果表明，四種工況的等效應力分布規(guī)律基本相同，但應力水平明顯不同。這里僅列出凸臺高度1.632mm工況下的等效應力分布圖。由圖4可見，轉子轉配體中，導條的應力明顯高于端環(huán)、轉動軸和鐵芯。最大應力發(fā)生在導條兩端與端環(huán)焊接的區(qū)域，而這正是導條斷裂的位置。因此應著重分析此處應力水平與凸臺高度的關聯(lián)性。模擬得到的導條兩端的最大等效應力以及導條與鐵芯槽的接觸力，列于表2，并繪制圖5所示曲線。由圖5可見，導條與鐵芯的接觸力隨導條頂面凸臺高度的增加而大致呈線性減小，導條端部的應力則大致呈線性增加。這是由于導條頂部出現(xiàn)凸臺后，增大的凸臺高度相當于增大了導條與鐵芯槽頂部的間隙。由于設計間隙已經(jīng)能夠滿足溫升導致的導條彎曲變形，增大的間隙并無益于減小溫度應力。相反，間隙增大減小了鐵芯槽對離心力作用下彎曲效應的抑制作用，不僅使導條與鐵芯槽的接觸段長度減小，同時也減小了接觸力，導致導條的彎曲應力增加。當導條凸臺高度為0時（即出廠狀態(tài)），導條與鐵芯槽的接觸力為6.57kN，導條兩端的應力水平處于60.3MPa~67.7MPa區(qū)間。參照180℃時導條的屈服應力210MPa，此時導條尚有較大的安全裕度。當凸臺高度為1.632mm時，導條兩端的應力水平處于145MPa~162MPa區(qū)間。參考作者采用切割法測試獲得的轉子焊接裝配殘余應力，即使按照規(guī)范的焊接工藝，導條仍有約40MPa的焊接裝配殘余應力[8]。也就是說，當凸臺高度達到1.632mm時，最大工作應力162MPa疊加焊接殘余應力40MPa，已達到202MPa。對照180℃時導條的210MPa屈服應力，可以認為1.632mm就是臨界凸臺高度。鑒于凸臺高度與導條最大應力呈大致的線性關系，在對本型號電機進行檢修時，可通過測量導條頂面凸臺高度的方式，評估導條的承載安全裕度。

4結論

在電機拆解過程中，發(fā)現(xiàn)電機斷裂的導條頂部均存在較深的凸臺，而凸臺較淺的導條均未發(fā)生斷裂，提示凸臺高度與斷條存在關聯(lián)。文章建立了不同凸臺高度的分析模型，在典型高轉速2250r/min，溫度由20℃升至180℃的工況下，分析對比了導條在不同凸臺高度下的應力水平，發(fā)現(xiàn)導條端部應力隨凸臺高度大致呈線性增長。依據(jù)導條材料在高溫下的屈服應力，結合導條、端環(huán)焊接裝配的殘余應力，便可通過有限元模擬確定臨界凸臺高度。對于不同型號的電機，由于導條鐵芯設計間隙、典型高轉速和最高工作溫度的差異，可能會影響導條最大應力和凸臺高度的關系曲線。但只要通過有限元模擬確定了臨界凸臺高度，便可通過測量導條頂面凸臺高度，采用插值的方法評估導條的承載安全裕度。

參考文獻：

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作者:王凱一 成志強 王錫勇 王言聿 柳葆生 單位:西南交通大學力學與工程學院 成都中車電機有限公司