1 前言

　　軋鋼電機(jī)是永濟(jì)電機(jī)廠新開發(fā)的一種全新結(jié)構(gòu)新型直流電機(jī)，周期短、難度大。該電機(jī)工作條件惡劣，要求電機(jī)有較高的可靠性。特別是直流電機(jī)特有的換向問題，是影響電機(jī)可靠運行的主要因素之一，因此，實現(xiàn)換向的主要部件――換向器的質(zhì)量就非常重要。

　　換向器在運行中要保證各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的整體性能。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計機(jī)械計算都作了簡化處理，安全系數(shù)一般取的較大，設(shè)計的結(jié)構(gòu)偏于保守。本文采用有限元技術(shù)，對不同設(shè)計方案結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形分布進(jìn)行了模擬，為設(shè)計者確定合理的設(shè)計方案提供了理論依據(jù)。

　　2 分析方案與分析過程

　　由于換向器屬多零件裝配體，在運行中各個零件配合面又相互作用，邊界條件復(fù)雜，傳統(tǒng)線性靜力分析已不能解決該問題，需用非線性接觸技術(shù)進(jìn)行分析。分析軟件采用ANSYS5.7。

　　2.1 建立分析模型

　　換向片組由276片換向片和276片云母板間隔排列組成，在其兩端裝上云母環(huán)、套筒、壓圈，再用螺栓緊固組裝而成換向器。零件數(shù)量多，幾何關(guān)系復(fù)雜，對于接觸分析來說，零件數(shù)量越多，分析求解越困難。因此，必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚怼Ｔ摻Y(jié)構(gòu)在建模時特做如下假設(shè)：

　　(1) 對套筒、壓圈結(jié)構(gòu)來說重點考察V形槽部位的強(qiáng)度和剛度，因此可忽略螺栓孔以及通風(fēng)孔的影響。

　　(2) 云母材料特性一般不很穩(wěn)定，尤其是彈性模量，隨著制造時所用的工藝參數(shù)而變化，在分析時假設(shè)材料呈線性特性。

　　(3) 螺栓的作用是提供軸向預(yù)緊力，該力可采用ANSYS預(yù)緊單元技術(shù)來處理，因此建模時可忽略螺栓結(jié)構(gòu)。

　　根據(jù)上述假設(shè)，換向器可認(rèn)為是以每個換向片和云母板為一組，沿?fù)Q向器軸線的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，同時由于載荷也對稱，所以可創(chuàng)建對稱的分析模型。分析時取一片云母板和與其相鄰的換向片的二分之一的扇形結(jié)構(gòu)建立模型。(如圖1所示)

　　圖1 換向器離散模型

　　2.1.1 單元選擇及模型離散

　　對于換向器各零件，單元類型選8節(jié)點的六面體單元SOLID185，接觸單元選面-面接觸單元TARGE170和CONTA174，對于螺栓預(yù)緊力的模擬，ANSYS提供有螺栓預(yù)緊單元PRETS179可很好地模擬結(jié)構(gòu)受螺栓預(yù)緊力時的狀態(tài)，利用該技術(shù)建模時可忽略螺栓結(jié)構(gòu)，直接在受預(yù)緊力的結(jié)構(gòu)上創(chuàng)建預(yù)緊單元，并在主節(jié)點上施加預(yù)緊力即可完成對預(yù)緊螺栓的模擬。

　　在單元的劃分方面，為了兼顧計算精度和計算速度，同時又要保證求解容易收斂，在換向片和壓圈、套筒的受壓面上，單元劃分較細(xì)，其余部位單元劃分適當(dāng)即可。

　　離散后的模型共有4813單元， 5794節(jié)點，4個接觸對，1個螺栓預(yù)緊單元。

　　2.1.2 材料屬性

　　ANSYS軟件提供豐富的材料模式可供選擇，包括線性材料或非線性材料，各向同性、正交異性或非彈性，隨溫度變化或不隨溫度變化。換向器各個零件的材料屬性見表1。

　　表1 材料屬性

　　2.2 計算載荷工況

　　本次計算是為了考查換向器各零件的強(qiáng)度和剛度，計算載荷工況選換向器裝配后超速時(1800r/min)工況。

　　2.3 約束條件及載荷

　　以換向器套筒底面和其軸線的交點為坐標(biāo)原點建立直角坐標(biāo)系，換向器軸向向上方向為Z軸正向，水平方向為X軸。對換向器來說，約束條件為：在套筒的內(nèi)孔面約束其徑向位移和軸向位移，在換向片對稱面施加對稱位移約束。

　　載荷施加：在高速旋轉(zhuǎn)工況下載荷為緊固力和離心力。分析中采用了原結(jié)構(gòu)的1/276對稱模型，壓力載荷的施加可利用螺栓預(yù)緊單元的載荷施加方法進(jìn)行處理，預(yù)緊力為總壓力的1/276。離心力的施加，在ANSYS中只要施加相應(yīng)的角速度載荷，由離心力引起的應(yīng)力程序會自動進(jìn)行計算。

　　2.4 計算結(jié)果(初始方案)

　　利用ANSYS非線性接觸分析功能對換向器多體裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，計算出了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形等。圖2～圖3為計算結(jié)果的等值線圖。

　　(1) 應(yīng)力結(jié)果：對于換向器套筒、壓圈和換向片來說，最大應(yīng)力點位于V形槽根部圓角處(圖2)，其中套筒最大應(yīng)力275.7MPa已超過材料許用應(yīng)力224MPa，壓圈、換向片最大應(yīng)力相對也比較高。

　　圖2 壓圈、套筒、換向片應(yīng)力，單位MPa

　　(2) 換向片撓度：在高速旋轉(zhuǎn)時，換向片組工作面徑向變形如圖3a，從圖中看出，在工作面ABCDE段，相對撓度(0.064297-0.016129)0.048168mm大于許用撓度0.04mm。

　　圖3 換向片徑向變形(放大100倍)，單位mm

　　2.5 改進(jìn)分析

　　改進(jìn)措施：將壓圈、套筒V形槽根部的軸向厚度和圓角增大，以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度并降低圓角處應(yīng)力集中。

　　方案改進(jìn)前后計算結(jié)果見表2。

　　表2 方案改進(jìn)前后計算結(jié)果對比

　　計算結(jié)果表明： 1、對壓圈、套筒補(bǔ)強(qiáng)后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都大大提高，套筒最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力。2、V形槽根部圓角處為應(yīng)力集中點，增大該處尺寸，可有效地降低應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。3、不改變換向片結(jié)構(gòu)，只提高壓圈、套筒剛度可減小換向片動態(tài)相對撓度，改進(jìn)后換向片組工作面ABCDE段動態(tài)撓度小于許用撓度。4、EF段相對撓度大于許用撓度0.04mm，考慮電樞前端(升高片處)幫扎無緯帶束緊，動態(tài)變形受約束，撓度值會大大減小。

　　3 結(jié)論

　　利用ANSYS軟件的非線性接觸技術(shù)對換向器不同設(shè)計方案研究分析可得以下結(jié)論：

　　(1) ANSYS軟件的非線性接觸技術(shù)可模擬出換向器復(fù)雜裝配結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度。

　　(2) 通過不同方案對比分析，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計要求，為最終確定合理的設(shè)計方案提供理論依據(jù)。

　　(3) 增大V形槽根部圓角尺寸，可有效地降低應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

　　(4) 利用非線性接觸技術(shù)還可以模擬過盈配合結(jié)構(gòu)、壓力加工成型工藝過程問題等，為拓寬我廠有限元技術(shù)分析領(lǐng)域打下基礎(chǔ)。