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1、第6期(总第199期)机械工程与自动化No.62016年12月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONDec.文章编号:1672-6413(2016)06-0144-03牵引电机断条故障的有限元疲劳分析张凯,李人宪(西南交通大学机械工程学院,四川成都610031)摘要:牵引电机在机车运行中转速波动较大,因此电机转子需承受变化幅度较大的交变载荷,容易发生疲劳破坏。为了探究电机断条故障的原因,建立了电机转子的有限元模型,并进行强度分析,观察危险位置的应力分布情况,确定应力谱。根据Miner累积损伤理论及名
2、义应力法,对电机转子进行疲劳分析,并预测了其在不同尺寸的径向变形下的疲劳寿命。最终提出改进方案,以提高电机转子疲劳寿命。关键词:转子断条;强度分析;疲劳分析;疲劳寿命中图分类号:TP391.7∶TM3文献标识码:A0引言牵引电机是三相鼠笼型交流感应异步驱动电机,牵引电机是机车主要电器设备之一,其可靠性将其转子由鼠笼、硅钢片铁芯、转子绕组和转轴等部分组直接影响列车的运行质量。转子断条是一种常见的电成。发生断裂的导条是鼠笼的构成部分,其形式为铜机故障,在总故障中所占比例高达10%。电机转子发铬合金的端板和导条焊接构成的鼠笼结构。
3、端板在圆生断条之后,轻微时电机仍可工作,但输出转矩和平稳周上开有60个槽,铁芯由硅钢片叠压而成,每个硅钢性会受到影响,严重时则会出现扫膛、烧毁电机的情片上与端板对应地沿圆周方向布置了60个槽,转子导况。究其原因,大致可分为以下3种:①由于工艺问条插入铁芯的槽,最后安装端板,并将端板与导条焊接。题,造成焊接不牢固,或者导条与端板配合松动,从而导条与端板分离;②电机结构设计不合理,导条在电机运转时所受最大应力超过材料的屈服极限,从而导条断裂;③导条在交变载荷的长期作用下产生疲劳,从而产生疲劳断裂。本文针对某进口内燃机车牵引电机出
4、现的断条故障进行计算分析,以期找到发生断条故障的原因。1断条现象宏观分析此类牵引电机在正常运行2年~4年后出现导条图1断裂导条上表面凸台变形断裂,断口位于导条与端板的焊接处,且断口由导条内侧向外扩展。在取下断裂导条后发现,原为平面的导条上表面已经发生变形,纵向两侧凹陷,中间出现凸台,如图1所示。这说明导条在工作时产生径向变形,与硅钢片产生了相对运动干涉。对断裂导条的断口进行观察,其断口宏观形貌如图2所示。可以很明显地图2导条断口宏观形貌看到B区存在“贝纹状”弧线,A区存在断面摩擦而产铜铬合金的力学性能参数如表1所示。生的光亮
5、疲劳源,C区存在结晶状断口的瞬断区。显表1铜铬合金的力学性能参数然导条的断裂不是由于脱焊导致,因而判断此断条故弹性模量屈服极限抗拉强度疲劳极限障为疲劳断裂。泊松比GPaMPaMPaMPa牵引电机在工作时由于车速的变化其转速会产生1100.31241.5310.580波动,转子导条会受到离心惯性力,而且此惯性力与转速的平方成正比。导条在离心惯性力的作用下会产生为计算鼠笼结构在离心惯性力作用下导条的应力径向变形,从而在导条与端板连接位置引起拉应力。分布状况,建立端板与导条组的三维有限元分析模型,如图3所示。因此电机的断条故障很可
6、能为变化的转子离心惯性力引起的疲劳破坏。2.2约束方式电机在工作时,转子高速转动,转子导条在离心惯2电机转子鼠笼强度计算分析性力的作用下将会在径向上向外侧凸出变形,但其在2.1计算模型收稿日期:2016-03-24;修订日期:2016-10-08作者简介:张凯(1990-),男,山东聊城人,在读硕士研究生,研究方向:动力机械及工程。2016年第6期张凯,等:牵引电机断条故障的有限元疲劳分析·145·径向上的变形要受到硅钢片铁芯孔的约束。按照设计2.4强度分析规定,铁芯孔与导条在初始装配时存在0.5mm的径向从导条的断口是由内
7、向外扩展的断裂方式可知,间隙。若导条在工作时的最大变形限制在径向0.5mm,该转子危险部位即为导条与端板焊接处的内侧,故取则导条与端板接触位置应力应不致很大。但断裂的导该处为关键点,观察其在不同径向变形、不同转速下的条与铁芯接触的平面已经出现了变形凸台(如图1所的受力情况。示),最大凸台高度约为1.2mm~1.6mm,说明导条表2不同电机转速对应的机车速度与铁芯孔的间隙是随电机运转时间的延长而不断加大编号电机转速(r／min)机车速度(km／h)的,且断裂导条的最大径向变形尺寸为1.7mm~1150058.32.1mm。为模
8、拟电机导条真实的变形和约束情况,计2180070算过程中需限制导条的径向变形。为此在导条外侧添3250097.2加一刚性套筒,套筒内侧面与导条外侧面建立接触对,43000116.7套筒外侧面进行面全约束,导条不能穿过套筒,从而可导条最大径向变形为1.5mm的模型在1800r／以通过套筒与导
