带式输送电动机转子支架设计研究 本文关键词：转子，电动机，支架，输送，研究
带式输送电动机转子支架设计研究 本文简介：摘要：采用转轴类零件设计方法并根据相关产品的设计经验设计出转子支架方案，利用Pro/E建立参数化三维模型，运用ANSYSWorkbench软件进行静力学计算，找出设计中的薄弱环节，对转子支架薄弱环节进行优化设计，确定转子支架最终结构尺寸，并对最终的转子支架进行疲劳分析，结果表明转子支架可满足设计要求
带式输送电动机转子支架设计研究 本文内容：
摘要：采用转轴类零件设计方法并根据相关产品的设计经验设计出转子支架方案，利用Pro/E建立参数化三维模型，运用ANSYSWorkbench软件进行静力学计算，找出设计中的薄弱环节，对转子支架薄弱环节进行优化设计，确定转子支架最终结构尺寸，并对最终的转子支架进行疲劳分析，结果表明转子支架可满足设计要求，为产品提供了可靠的设计依据。
关键词:转子支架；参数化建模；优化设计；疲劳分析
带式输送机是一种广泛应用于煤炭采掘、生产、转运、加工过程中的输送、传输系统。直驱式带式输送机，取代传统带式输送机系统采用的异步电动机、减速器和液力耦合器将动力传输给皮带的传动方式，整个系统具有效率高、节能、噪声低、维护简单、启动平稳等优点，是该系统的一个发展方向。直驱式带式输送机主要由直驱永磁电动机、变频器、输送带等部分组成，电动机作为该系统的动力装置，具有长期在大转矩工况下运行的工作特点，电动机转子支架承受电动机的全部转矩载荷，因此转子支架的设计必须要安全可靠，以满足实际使用需求。
1总体设计
1.1输入参数
设计要求电动机功率为500kW，最高转速为60r/min，工作制为连续运行S1，允许1.5倍额定转矩过载60s，使用寿命为20a。
1.2初步方案
同等功率下的低速电动机尺寸一般都比较大，结合上述输入参数，采用带转子支架的转轴结构，该结构是将支架与转轴通过键联接，或采用直接在转轴上焊接腹板的形式，使电动机转轴安装永磁体处直径增大，以达到节约材料、减轻质量的目的。按照转轴扭转强度条件，初步估算转轴轴径计算公式[1]为式中：d为计算截面处轴的直径，mm；A0为与轴材料相关的性能常数，此处取105；P为轴传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min。考虑过载因数，带入数值，计算可得d≥243mm，圆整后取轴的最小截面直径为250mm。根据电动机电磁设计计算及类比结构类似的转子支架尺寸、结构，形成如下设计方案：将筋板焊接在转子铁心支撑处轴的外圆上，筋板与筋板之间焊接腹板，将筋板与筋板之间连接成为一个整体，提高转子支架的刚度，如图1所示。
2静力学计算
2.1基于Pro/E的参数化建模
用Pro/E建立转子支架参数化模型，以方便进行后续的优化设计计算。在建模过程中建立不同的参数名称，指定名称类型并根据初步方案赋予参数相应的数值。将参数通过关系指定给模型相应特征尺寸，基于Pro/E的参数化模型建立完成，部分参数名称及参数名称说明如表1所示。
2.2静力学计算
将进行参数化的转子支架三维模型导入ANSYSWorkbench软件中进行静力学计算，找出设计的薄弱点，以便于对薄弱点处进行设计优化，以满足设计要求。1）网格划分。模型采用适应性较强的四面体网格，在对网格划分分析精度与资源使用方面进行权衡后，通过对Workbench网格划分参数的调试设置，最终模型有限元网格划分单元数为163342，节点数为286889，网格划分如图2所示。2）边界条件施加。边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件。根据转子支架实际工作情况，约束边界条件主要为电动机输出轴身端，轴承约束等约束边界条件。载荷边界条件主要有转子铁心的质量500kg，电动机转矩(最大1.5倍过载转矩)119375N·m，单边磁拉力4.95×104N。（2）式中：Tn为电动机额定转矩，N·m；Pn为电动机额定功率，kW；nn为电动机额定转速，r/min。（3）式中：β为经验系数，感应电动机的β取0.3，凸极同步电动机和直流电动机的β取0.5，汽轮发电机的β取0.2，此处取0.5；Bδ为气隙磁密最大值；此处取0.971；lef为电枢计算长度，此处取525mm；δ为单边气隙长度，3.5mm；μ0为真空磁导率，4π×10-7H/m；e0为初始偏心，计算时可取0.1δ。3）静力学分析结果。转子支架应力云图与变形云图如图3、图4所示。由图3可知，转子支架最大应力为96MPa，主要位于筋板与转轴的焊接处，属于应力集中，大部分位置应低于75MPa。该转子支架转轴材料为20MnMoNb，屈服强度为450MPa，筋板材料为Q345钢板，屈服强度为320MPa。由此可知，该转子支架强度满足设计要求，且安全余量较大。由图4可知，最大变形量为1.52mm左右，位于筋板尖角处，靠近筋板外圆侧变形量约为1mm左右，变形较大，故筋板刚度是转子支架的薄弱环节。
3转子支架设计优化
3.1优化参数选择
通过静力学计算可知,转子支架的薄弱环节为筋板的刚度，与筋板刚度相关的结构主要为筋板数量、厚度及圆周腹板的厚度，因此取以上相关参数作为输入优化参数。结构强度与刚度是设计的要点，经济性也是工程中要考虑的因素之一，因此以转子支架的强度、刚度和质量作为输出参数。由于输入参数在一定范围内，且该结构较为简单，参数均为独立参数，不会出现模型再生失败，故可以实现优化设计。输入参数名称、范围及说明如表2所示。在Workbench中的优化模块参数以样本点的形式输入，因此在输入参数范围内进行参数组合，形成有代表性的几组数据作为输入样本点，输入参数样本如表3所示。
3.2优化结果
经过计算，输出结果如图5所示。由图5可知，第5组数据的应力值均小于97MPa，远小于材料疲劳极限值，满足强度要求；其中第4组数据的变形值集中在0.9mm左右，满足刚度设计要求；最终取决于质量，第5组数据质量为1500~1980kg，综合考虑最终选取第3组数据作为最终设计结果。
4疲劳分析
在工程应用中,大多数零件都处于低于材料屈服强度的载荷下工作,一般不会发生塑性变形,更不会发生静强度破坏,但在交变循环载荷的作用下,即使应力峰值远低于材料的屈服强度,零件也可能发生疲劳断裂。本文中虽然转子支架静力学分析结果远小于材料的屈服强度极限，但该部件长期工作于载荷变化的工况下，设计使用寿命较长，为保证满足设计要求，需进行疲劳分析。现代CAE疲劳分析的一般步骤为:以材料疲劳特性为基础,结合有限元分析的应力应变结果和合适的疲劳分析方法,进行某载荷下零部件的疲劳寿命预测。该转子支架腹板与轴的材质不同，且腹板材质性能低于轴材的力学性能，对筋板及腹板处进行设计优化，以腹板材料的疲劳特性为基础进行疲劳分析，使设计更加安全可靠，以满足实际工况需求。
4.1腹板S-N曲线
外加应力S和疲劳寿命N之间关系曲线叫做S-N曲线。我国在“六五”和“七五”期间完成了若干国产常用工程材料的试验研究工作,可为相关工程实践提供参考。查阅参考相关手册，Q345(16Mn)钢材在P=90%的S-N曲线见图6。
4.2优化后转子支架疲劳分析
Workbench中的疲劳分析主要在Fatiguetool模块中进行，该模块可定义输入S-N曲线类型，指定相应的平均应力数值。影响疲劳分析的材料延展性，材料的表面粗糙度、残余应力等因素，也可以在仿真中用一个修正因子加以考虑。在Workbench中进行相应的设置，对优化后的转子支架进行疲劳寿命分析，分析结果如图7、图8所示。由图7可知，转子支架的循环次数为3×107次，根据机械疲劳相关理论，当应力循环次数超过107次时，可认为结构可承受无限次应力循环。由此可知转子支架满足设计要求。由图8可知，转子支架的最小安全系数为1.6左右，位于腹板的圆弧及筋板与转轴焊接位置，属于应力集中位置，其余部分安全系数均大于2.1，由此计算结果可判定转子支架的安全系数满足设计要求。
5结语
1）本文以转轴类设计计算公式计算出最小转轴直径为250mm，结合相关支架类零件的设计经验设计出支架的尺寸、结构，并对参数化建模的三维模型进行优化设计，最终确定筋板数量为10个，腹板数量为20个，筋板厚度为25mm，腹板厚度为20mm，完成转子支架最终方案设计。2）对最终设计方案进行疲劳寿命分析，转子支架可承受3×107次的应力循环；安全系数除应力集中处为1.6，其余位置均大于2.1以上，可知满足设计要求。
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作者：徐磊 张松 周贵厚 单位：武汉长海电力推进和化学电源有限公司 武汉船用电力推进装置研究所
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