电机轴结构优化设计

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1、电机轴结构优化设计12曾翠华，廖海平（1．广东工业大学材料与能源学院，广州510090；2．中国工程物理研究院，四川绵阳621900）摘要：对Y系列三相异步电机的电机轴疲劳断裂原因进行了分析，选用了两种材料两种热处理方案估算电机轴的疲劳应力，并用ANSYS软件模拟疲劳应力，从而对电机轴的结构进行了优化设计，提高了电机轴的疲劳寿命.关键词：电动机；电机轴；疲劳断裂；有限元；应力计算中图分类号：TK122文献标识码：A文章编号：1005-8354(2005)02-0044-04OptimizedDesignofElectriomotorShaft12ZENG

2、Cui-hua,LIAOHai-ping(1.SchoolofMaterialandEnergy,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,China;2.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)Abstract:ThecauseofthefatiguefractureoftheY-seriesthree-phaseasynchronouselectromotorshaftisanalyzedinthispaper.Thefatigu

3、estressoftheelectromotorshaftiscalculatedbytwokindsofheattreatmentmethodsusingtwodifferentmaterials,andtheANSYSsoftwareisintroducedtosimulatethefatiguestress.Asaresult,thestructureoftheelectromotorshaftisoptimized,andthereforeitsfatiguelifeisimprovedaccordingly.Keywords:electricm

4、otor;electromotorshaft;fatiguefracture;finiteelement;stresscalculation1引言2断裂原因分析某一生产汽车零配件的专业厂家，各种金属加以金属加工机床Y系列YEJ132M-4三相异步工机床每天运转时间达12小时，机床零件的失效量电机为列.电机轴断口的宏观形貌见图2.断口呈灰很大.根据多年来金属加工机床用Y系列三相异步色，比较平整，无明显塑性变形，断口面与电机轴电机轴的维修更换情况，该系列电机轴的断口位置轴线垂直.断口为典型的疲劳破坏，其上有三个不同位于电机轴轴伸端直径为d1和d2的台阶处（图

5、1）.的区域：（1）带状区为疲劳源区，初始裂纹由此形修配一台电机轴的费用是更换一台新电机轴成本的成并扩展开去；（2）光滑区为疲劳扩展区，有明显10%.因此提高维修电机的使用寿命可以大大降低的类似贝壳上面的条纹，它是裂纹的传播所形成的，工厂机床维护费用.在裂纹扩展过程中，由于应力反复交变，裂纹时张、时合，类似研磨过程，从而形成疲劳断口上的光滑区；（3）粗糙区为突然断裂的颗粒状区域，是脆性断裂的特征.在带状区和光滑区的连接处可见平行图1电机轴断裂位置于轴向扩展的二次裂纹，在粗糙区一侧轴表面可见严重擦伤痕迹，擦痕表面呈蓝黑色.带状区比较薄，收稿日期：2004-

6、11-03作者简介：曾翠华（1970-）女，在读硕士研究生，研究方向：材料加工.—44—Vol.22,No.2,2005MechanicalandElectricalEquipment厚度约1mm左右，沿断口圆周方向分布；光滑区综合考虑影响疲劳寿命的因素，本文选用了两颜色比较光亮，面积约占断口总面积的10%；粗糙种材料两种热处理方案估算电机轴的疲劳应力，并区颜色比较灰暗，约占断口总面积的90%.光滑区用ANSYS软件模拟疲劳应力.从而对电机轴的结构为疲劳裂纹稳态扩展区，粗糙区为最终瞬断区.进行优化设计，结合合理的机械加工工艺和安装工艺，可以提高电机轴的疲

7、劳寿命.3Y系列三相异步电机电机轴疲劳破坏应力和疲劳强度估算3.1估算电机轴疲劳破坏应力以维修YEJ132M-4电机(额定转速n=1440图2宏观断口形貌r/min，额定功率P=7.5kW)的电机轴（图1）为例，d1=38mm，d2=44mm，台阶过渡圆弧R=1mm，该断电机轴的断裂面存在着截面尺寸的急剧变化，裂电机轴的材料为45碳钢.因此该处必然产生严重的应力集中，而断裂处的台按例式（1）估算电机轴断裂时承受的疲劳应力阶过渡圆弧半径R是产生应力集中的重要影响因素.σ′：应力集中的存在不仅促使初始疲劳裂纹的形成，而Anσ′=σ（1）bn且促使裂纹的扩展，

8、从而降低零件的疲劳极限，因A此合理设计电机轴结构可以降低应力集中.式中：文献[2