凸臺高度評估與承載安全的方法范文
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《大電機(jī)技術(shù)雜志》2016年第4期
摘要：
轉(zhuǎn)子導(dǎo)條端部斷裂是鼠籠式電機(jī)的常見故障，前人已對斷條的原因進(jìn)行了大量的研究。但在電機(jī)檢修階段，如何評估導(dǎo)條承載的安全裕度，尚未見相關(guān)報(bào)道。作者在電機(jī)拆解過程中，發(fā)現(xiàn)斷裂導(dǎo)條的頂部均存在明顯的凸臺，而凸臺較淺的導(dǎo)條均未發(fā)生斷裂，提示凸臺高度與斷條存在關(guān)聯(lián)。文章建立了不同凸臺高度的轉(zhuǎn)子分析模型，在典型高轉(zhuǎn)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(dǎo)條應(yīng)力的關(guān)系。提出一種可在電機(jī)檢修階段,評估導(dǎo)條承載的安全裕度的新方法。
關(guān)鍵詞：
鼠籠式電動機(jī)；導(dǎo)條斷裂；導(dǎo)條凸臺；有限元；應(yīng)力
0引言
鼠籠式三相異步電動機(jī)廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會的各個行業(yè)和領(lǐng)域。在鐵路運(yùn)輸行業(yè)中，作為機(jī)車動力源的鼠籠式三相異步電動機(jī)，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(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)、刮傷定子繞組，甚至導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，若在電機(jī)檢修過程中，能夠評估導(dǎo)條的承載安全裕度，預(yù)防斷條的產(chǎn)生，將具有一定的實(shí)用價值。
1斷條原因分析及斷條特征
通過理論研究和實(shí)踐總結(jié)，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(jī)啟動過程中，導(dǎo)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(dǎo)致導(dǎo)條與端環(huán)焊接區(qū)域形成疲勞損傷[1][2]（2）導(dǎo)條和端環(huán)不合理的焊接結(jié)構(gòu)和不規(guī)范焊接工藝導(dǎo)致的缺陷[3][4]，成為斷條的潛在發(fā)生點(diǎn)。（3）電機(jī)運(yùn)行中，由于導(dǎo)條和端環(huán)受熱不均勻，在熱應(yīng)力驅(qū)動下，導(dǎo)條和端環(huán)焊接區(qū)域產(chǎn)生疲勞損傷[2][5]。（4）電機(jī)啟動過程中，導(dǎo)條中存在很大的感應(yīng)電流，而導(dǎo)條與端環(huán)焊接區(qū)域電阻較大，因此發(fā)熱嚴(yán)重。這將造成焊接區(qū)域材料損失和結(jié)構(gòu)軟化。若電機(jī)短時間內(nèi)頻繁啟動和重載啟動，可能導(dǎo)致斷條的發(fā)生[2][3][5]。同時，亦有大量關(guān)于轉(zhuǎn)子斷條故障檢測的研究工作見于報(bào)道[6][7]。但如何在電機(jī)服役期間評估導(dǎo)條承載的安全裕度,尚未見相關(guān)研究工作的報(bào)道。本文研究的鼠籠式三相異步電機(jī)在圓周相距120°三個位置，呈品字形楔緊三根導(dǎo)條的中部，其余導(dǎo)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(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)了一個目前文獻(xiàn)中尚未提及的現(xiàn)象。斷裂導(dǎo)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(dǎo)條和未楔緊的自由導(dǎo)條發(fā)現(xiàn)，楔緊導(dǎo)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(dǎo)條中。自由導(dǎo)條的凸臺高度明顯大于楔緊導(dǎo)條，提示凸臺高度與斷條可能存在相關(guān)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(dǎo)條承載應(yīng)力水平的關(guān)系，從而探索通過凸臺高度評估導(dǎo)條承載危險(xiǎn)程度的方法。
2有限元模型的建立
導(dǎo)條與鐵芯的裝配關(guān)系圖，如圖2.a所示。在電機(jī)未轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)條底部與鐵芯槽底部保持接觸，導(dǎo)條頂部與鐵芯槽頂部存在一間隙。合理的設(shè)計(jì)間隙既能允許導(dǎo)條熱彎曲變形不受鐵芯槽頂約束，又能在高轉(zhuǎn)速時使導(dǎo)條頂部與鐵芯槽頂部發(fā)生接觸，抑制離心力導(dǎo)致的彎矩，改善導(dǎo)條的受力條件。當(dāng)導(dǎo)條頂部出現(xiàn)凸臺后，由于頂面的材料損失，導(dǎo)條頂面便嵌入鐵芯槽口。需在更高轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)條才與鐵芯槽頂面發(fā)生接觸，這相當(dāng)于增大了導(dǎo)條與鐵芯槽頂部的間隙，參看圖2.b。下面將應(yīng)用有限元模擬手段，分析電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和極限溫升工況下，導(dǎo)條凸臺高度分別為0mm、0.632mm、1.132mm和1.632mm時（對應(yīng)導(dǎo)條與鐵芯槽頂間隙分別為0.368mm、1mm、1.5mm和2mm），導(dǎo)條的凸臺高度對導(dǎo)條應(yīng)力水平的影響。本文根據(jù)某型電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)圖進(jìn)行建模，模型包括導(dǎo)條、端環(huán)、鐵芯、轉(zhuǎn)動軸等主要部分。由于轉(zhuǎn)子裝配體是軸對稱結(jié)構(gòu)，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?qū)ΨQ面。有限元網(wǎng)格劃分采用ANSYS軟件中的Solid185三維8節(jié)點(diǎn)單元。有限元模型共包含88790個單元，117098個節(jié)點(diǎn)?？紤]軸對稱模型的特點(diǎn)以及電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的離心力與轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，根據(jù)電機(jī)公司提供數(shù)據(jù)，該型電機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況中，2250r/min轉(zhuǎn)速出現(xiàn)頻率較多，因此有限元模型基于此轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。另外，轉(zhuǎn)子通常在高溫條件下工作，因此模擬中必須考慮溫度效應(yīng)。通常環(huán)境參考溫度取20℃。轉(zhuǎn)子工作時的最高溫度，取電機(jī)公司依據(jù)測試數(shù)據(jù)給定的180℃。這樣確定了轉(zhuǎn)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(dǎo)條頂面的凸臺是在電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的，因此只有在導(dǎo)條與鐵芯槽間隙設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)圖，文章首先計(jì)算了在設(shè)計(jì)間隙為0.368mm（即導(dǎo)條凸臺高度為0mm），溫度由20℃升至180℃時的溫度應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示，在極限溫升工況下，導(dǎo)條、鐵芯和端環(huán)均發(fā)生膨脹，但徑向膨脹效應(yīng)略有不同，導(dǎo)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(dǎo)致鐵芯限制導(dǎo)條的彎曲變形?？紤]裝配公差，0.368mm的設(shè)計(jì)間隙基本合理。當(dāng)轉(zhuǎn)子裝配體的溫度由20℃升至180℃時，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)條與端環(huán)的焊接處，應(yīng)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(dǎo)條凸臺高度從0mm，逐漸增加至0.632mm、1.132mm和1.632mm時，在2250r/min轉(zhuǎn)速下，導(dǎo)條的應(yīng)力分布狀態(tài)和應(yīng)力水平。模擬結(jié)果表明，四種工況的等效應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，但應(yīng)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(yīng)力分布圖。由圖4可見，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)配體中，導(dǎo)條的應(yīng)力明顯高于端環(huán)、轉(zhuǎn)動軸和鐵芯。最大應(yīng)力發(fā)生在導(dǎo)條兩端與端環(huán)焊接的區(qū)域，而這正是導(dǎo)條斷裂的位置。因此應(yīng)著重分析此處應(yīng)力水平與凸臺高度的關(guān)聯(lián)性。模擬得到的導(dǎo)條兩端的最大等效應(yīng)力以及導(dǎo)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(dǎo)條與鐵芯的接觸力隨導(dǎo)條頂面凸臺高度的增加而大致呈線性減小，導(dǎo)條端部的應(yīng)力則大致呈線性增加。這是由于導(dǎo)條頂部出現(xiàn)凸臺后，增大的凸臺高度相當(dāng)于增大了導(dǎo)條與鐵芯槽頂部的間隙。由于設(shè)計(jì)間隙已經(jīng)能夠滿足溫升導(dǎo)致的導(dǎo)條彎曲變形，增大的間隙并無益于減小溫度應(yīng)力。相反，間隙增大減小了鐵芯槽對離心力作用下彎曲效應(yīng)的抑制作用，不僅使導(dǎo)條與鐵芯槽的接觸段長度減小，同時也減小了接觸力，導(dǎo)致導(dǎo)條的彎曲應(yīng)力增加。當(dāng)導(dǎo)條凸臺高度為0時（即出廠狀態(tài)），導(dǎo)條與鐵芯槽的接觸力為6.57kN，導(dǎo)條兩端的應(yīng)力水平處于60.3MPa~67.7MPa區(qū)間。參照180℃時導(dǎo)條的屈服應(yīng)力210MPa，此時導(dǎo)條尚有較大的安全裕度。當(dāng)凸臺高度為1.632mm時，導(dǎo)條兩端的應(yīng)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(zhuǎn)子焊接裝配殘余應(yīng)力，即使按照規(guī)范的焊接工藝，導(dǎo)條仍有約40MPa的焊接裝配殘余應(yīng)力[8]。也就是說，當(dāng)凸臺高度達(dá)到1.632mm時，最大工作應(yīng)力162MPa疊加焊接殘余應(yīng)力40MPa，已達(dá)到202MPa。對照180℃時導(dǎo)條的210MPa屈服應(yīng)力，可以認(rèn)為1.632mm就是臨界凸臺高度。鑒于凸臺高度與導(dǎo)條最大應(yīng)力呈大致的線性關(guān)系，在對本型號電機(jī)進(jìn)行檢修時，可通過測量導(dǎo)條頂面凸臺高度的方式，評估導(dǎo)條的承載安全裕度。
4結(jié)論
在電機(jī)拆解過程中，發(fā)現(xiàn)電機(jī)斷裂的導(dǎo)條頂部均存在較深的凸臺，而凸臺較淺的導(dǎo)條均未發(fā)生斷裂，提示凸臺高度與斷條存在關(guān)聯(lián)。文章建立了不同凸臺高度的分析模型，在典型高轉(zhuǎn)速2250r/min，溫度由20℃升至180℃的工況下，分析對比了導(dǎo)條在不同凸臺高度下的應(yīng)力水平，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)條端部應(yīng)力隨凸臺高度大致呈線性增長。依據(jù)導(dǎo)條材料在高溫下的屈服應(yīng)力，結(jié)合導(dǎo)條、端環(huán)焊接裝配的殘余應(yīng)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(jī)，由于導(dǎo)條鐵芯設(shè)計(jì)間隙、典型高轉(zhuǎn)速和最高工作溫度的差異，可能會影響導(dǎo)條最大應(yīng)力和凸臺高度的關(guān)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(dǎo)條頂面凸臺高度，采用插值的方法評估導(dǎo)條的承載安全裕度。
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作者:王凱一 成志強(qiáng) 王錫勇 王言聿 柳葆生 單位:西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院 成都中車電機(jī)有限公司