机车牵引电机轴锥联结可靠性分析 - 文章

机车牵引电机轴锥联结可靠性分析

作者：永济电机厂孙涛

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摘要：本文以某型号交流异步牵引电动机为例，利用ANSYS有限元分析软件的非线性分析技术，对该电机内轴锥过盈配合结构的强度、传递扭矩等进行计算，计算结果与实际实验和弹性理论相吻合。
关键词：内轴锥有限元过盈配合

1 引言

在重型机械的联接中，圆柱和圆锥过盈配合联结具有结构简单、承载能力大、承受冲击和变载的性能好、配合的定心精度高等优点被得到广泛应用，我厂牵引电机传动基本上都采用了圆柱或圆锥过盈联结结构。

本文以JD126交流异步牵引电动机为例，介绍了采用有限元技术对轴锥过盈配合的计算方法和过程，计算是基于静态模型，计算结果包括装配应力与变形、联结强度以及结构尺寸对应力集中的影响等。

2 模型建立

2.1 问题描述

JD126交流异步牵引电动机转轴传动端为圆锥、圆柱多级过盈联结结构，传动扭矩采用圆锥过盈联结，转轴轴头为内锥结构，在轴头外径装有轴承和内、外密封环，为圆柱过盈联结。该结构比较复杂，涉及多重接触问题，用传统的经典方法难于精确计算，而采用有限元法则可很好地解决这一问题。

由于结构配合有一定公差，在计算时应考虑两种极限配合状态下结构的受力情况，即最大过盈配合联结和最小过盈配合联结。最大过盈联结用来计算各结构最大应力是否超过许用应力，最小过盈联结用来计算所能传递最大扭矩。

2.2 几何模型

根据结构特点，利用结构的轴对称特性，采用轴对称单元进行分析，这样可以在较少的计算费用下尽可能细化单元提高计算精度。

模型简化：根据结构受力特点，对模型中零件配合处的倒角、圆角、油槽等结构按实际尺寸建模，其它部位如齿部、转轴外径倒角等，不是我们所关心的，则应简化掉。图1为所建的分析模型。

由于加工工艺的特点，图纸中所标转轴外径（转轴与内外封环、轴承配合直径值）为齿轮轴压入锥孔后加工所得直径（即自由状态下锥孔的外径应小于图中所标示的值）。为保证分析精度，建模时应先对转轴锥孔外径进行修正，此时应先计算齿轮轴压入锥孔时锥孔外径变形量（模型中不能有内外封环和轴承），然后在建模时减去变形量，理论上就与实际结构相符。

2.3 离散模型

单元类型选PLANE42轴对称单元进行网格剖分，选TARGE169、CONTA172单元建立接触对。为保证计算精度，对接触面处网格细化，全局网格尺寸适度，同时本文采用多种网格尺寸进行比较，保证所选尺寸精度足够。由于只计算轴锥过盈配合引起的应力和结合压强，边界条件简单，在加约束时只要保证模型不发生刚体位移就可以了，本模型采用轴对称单元（y轴为对称轴）分析时对各个零件进行y向位移约束。内、外锥材料相同，弹性模量E=210GPa，泊松比ν＝0.3，接触面摩擦系数在整个配合表面相同，μ＝0.125，表面粗糙度忽略不计。

3 强度计算

轴锥配合属于接触问题，ANSYS软件提供了良好的操作界面和优秀的非线性求解算法，使得解决接触问题变得非常容易。由于采用的是轴对称模型，模型相对简单，求解控制设置按程序缺省设置就可以了。转轴各个零件接触应力和结合压强计算结果见表1。图2～图5是最大过盈配合各零件应力云图和压强云图。

表1 计算结果列表(单位MPa)

计算结果表明，转轴各零件最大等效应力均小于材料的屈服极限773MPa，在转轴轴锥大部分接触面上的应力为360MPa，安全系数大，结构不会屈服，说明该设计结构是弹性范围的过盈配合。从图看出，最大应力点和最大压强点发生在联结面的两端和油槽边缘，该处是应力集中现象，这一点也符合弹性理论和实验结果。

4 传递扭矩计算

当结构最小结合压强所产生摩擦力矩大于最大负载力矩时联结才是安全可靠的。对于圆柱过盈联结传递扭矩的计算，由于结合直径不变，计算相对简单，最小结合压强时传递扭矩可利用公式

来计算。圆锥过盈联结在横截面上与圆柱过盈联结类似，但由于圆锥联结在长度上横截面的大小不同，在横截面变化的范围内，不能再假定为平面应力状态，所以也就不能按圆柱过盈配合来计算。因此，采用一种近似的计算方法，即将圆锥沿轴向分成若干段，分别计算每段所传扭矩的和来作为整个圆锥过盈联结所传的扭矩，如果分段越多结果越精确，相应的传递扭矩计算公式变为：

若存在n个断面，则方程式可写成：

根据上式，在ANSYS软件中可利用单元表功能对式中变量创建相应单元表，并利用其计算功能进行数学运算，所有这些工作都是程序自动运行，消除人为因素带来的误差。式中n实际上为划分的单元数量，L则为单元长度值，在划分单元时一般取等长度单元，所以L实际为常数，不用创建单元表。创建单元表命令流如下：

/POST1
ESEL,S,ENAME,,172
ETABLE,r,CENT,X
!*
ETABLE,p,CONT,PRES
!*
SEXP,p*r*r,P,R,1,2,
SMULT,all,P*R*R, ,0.7,1,
SSUM

通过采用ANSYS有限元计算，在最小过盈装配时，传递扭矩为Mtmin=55249300Nmm=55249Nm，电机最大扭矩为13880Nm，安全系数n=Mtmin/Mmax=55249/13880=3.98，结构联结安全可靠。

5 结论

利用ANSYS非线性接触分析技术对圆柱、圆锥多级过盈联结结构进行分析，详细计算出各零件装配应力和结合面结合压强，并得出以下结论：

(1) 在设计公差范围内，最大装配应力小于材料的屈服极限，因此，过盈配合属于弹性范围过盈联结。
(2) 根据结合面最小结合压强，并利用ANSYS单元表计算轴锥传递扭矩远远高于设计最大扭矩，结构联结可靠。
(3) 在结合面边缘和油槽边缘产生应力集中，与实际实验和弹性理论相符。
(4) 计算所采用模型是假设内、外锥锥度相同时理想化模型，计算结果为静态结果。而实际上结构存在直径偏差、角度偏差以及各种动载荷等因素影响，这些问题有待于深入研究。

[参考文献]
[1] ANSYS公司编著.ANSYS非线性分析指南.
[2] 过盈联结的设计、计算与装拆.许定奇主编.中国计量出版社.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/7/2007)


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