1 前言

　　軋鋼電機是永濟電機廠新開發的一種全新結構新型直流電機，周期短、難度大。該電機工作條件惡劣，要求電機有較高的可靠性。特別是直流電機特有的換向問題，是影響電機可靠運行的主要因素之一，因此，實現換向的主要部件――換向器的質量就非常重要。

　　換向器在運行中要保證各零件應有足夠的強度、剛度和良好的整體性能。由于結構比較復雜，傳統設計機械計算都作了簡化處理，安全系數一般取的較大，設計的結構偏于保守。本文采用有限元技術，對不同設計方案結構的應力及變形分布進行了模擬，為設計者確定合理的設計方案提供了理論依據。

　　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，邊界條件復雜，傳統線性靜力分析已不能解決該問題，需用非線性接觸技術進行分析。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、套筒、壓圈，再用螺栓緊固組裝而成換向器。零件數量多，幾何關系復雜，對于接觸分析來說，零件數量越多，分析求解越困難。因此，必須對結構進行適當的簡化處理。該結構在建模時特做如下假設：

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

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

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

　　根據上述假設，換向器可認為是以每個換向片和云母板為一組，沿換向器軸線的循環對稱結構，同時由于載荷也對稱，所以可創建對稱的分析模型。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構建立模型。(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，對于螺栓預緊力的模擬，ANSYS提供有螺栓預緊單元PRETS179可很好地模擬結構受螺栓預緊力時的狀態，利用該技術建模時可忽略螺栓結構，直接在受預緊力的結構上創建預緊單元，并在主節點上施加預緊力即可完成對預緊螺栓的模擬。

　　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，其余部位單元劃分適當即可。

　　離散后的模型共有4813單元， 5794節點，4個接觸對，1個螺栓預緊單元。

　　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原點建立直角坐標系，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：在高速旋轉工況下載荷為緊固力和離心力。分析中采用了原結構的1/276對稱模型，壓力載荷的施加可利用螺栓預緊單元的載荷施加方法進行處理，預緊力為總壓力的1/276。離心力的施加，在ANSYS中只要施加相應的角速度載荷，由離心力引起的應力程序會自動進行計算。

　　2.4 計算結果(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構進行分析計算，計算出了結構的應力和變形等。圖2～圖3為計算結果的等值線圖。

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

　　圖2 壓圈、套筒、換向片應力，單位MPa

　　(2) 換向片撓度：在高速旋轉時，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 改進分析

　　改進措施：將壓圈、套筒V形槽根部的軸向厚度和圓角增大，以提高結構強度和剛度并降低圓角處應力集中。

　　方案改進前后計算結果見表2。

　　表2 方案改進前后計算結果對比

　　計算結果表明： 1、對壓圈、套筒補強后結構的強度和剛度都大大提高，套筒最大應力小于許用應力。2、V形槽根部圓角處為應力集中點，增大該處尺寸，可有效地降低應力集中，提高結構的承載能力。3、不改變換向片結構，只提高壓圈、套筒剛度可減小換向片動態相對撓度，改進后換向片組工作面ABCDE段動態撓度小于許用撓度。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，動態變形受約束，撓度值會大大減小。

　　3 結論

　　利用ANSYS軟件的非線性接觸技術對換向器不同設計方案研究分析可得以下結論：

　　(1) ANSYS軟件的非線性接觸技術可模擬出換向器復雜裝配結構的強度與剛度。

　　(2) 通過不同方案對比分析，改進后的結構強度、剛度滿足設計要求，為最終確定合理的設計方案提供理論依據。

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

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