某7000KW电动机撑块螺栓力学分析

某7000KW电动机撑块螺栓力学分析

赵猛

哈尔滨电气动力装备有限公司 黑龙江哈尔滨 150066

摘要：本文对电动机转子装配中撑块螺栓强度进行分析，主要考虑了电机在额定转速和超速运行两种情况，针对每种情况分别讨论了撑块把合螺栓不考虑预紧力及考虑预紧力时的受力情况，对于有限元仿真结果用材料的屈服极限进行考核，能够满足使用要求。由于高速和低速运行时撑块螺栓所受应力最大值相差较大，继续对螺栓进行疲劳分析，得出撑块螺栓在安装过程中要施加足够的预紧力，否则易发生疲劳断裂结论。

关键词：转子装配、撑块螺栓、高低速工况、预紧力、疲劳

1引言

作为工业革命的产物，电机从进入工业时代起就在各个领域都发挥着无法替代的作用，极大地提高了劳动效率，推进了人类文明的发展进程。一般来讲定子和转子构成了电机的核心部件，通常完整的转子装配由转轴、磁极冲片、线圈、压板、键、拉紧螺杆、支撑环、托板、撑块、阻尼条、绝缘板、撑块螺栓等众多部件经复杂装配而成。电机在运转时的动力来自于电磁拉力，运转过程中转动部件受到离心力的作用，电机负载运行时，各部件之间的受力状态发生变化，尤其是承载大的部件更容易发生破坏。长期运行过程中转动部件尤其固定磁极和转轴的撑块螺栓受到交变载荷作用，易产生疲劳断裂，对证电机的可靠性和安全性构成隐患。

本文用有限元软件对电动机转子上撑块螺栓进行强度分析，考虑了电机在额定转速和超速运行情况，讨论了撑块把合螺栓不考虑预紧力及考虑预紧力时的受力情况，对计算结果用屈服极限进行考核，能够满足使用要求。

2 基本参数及载荷输入

本文采用有限元程序ANSYS Workbench[1]对某7000KW电动机撑块把合螺栓进行应力强度分析，计算模型包括轴、磁极冲片、线圈、绝缘垫板、键、撑块及把合螺栓等，计算使用参数见表1。

表1 电机计算参数

根据电机的实际工况，主要考虑了以下4种工况，其中工况1：低速扭矩+160rpm（撑块把合螺栓不考虑预紧力）；工况2：高速扭矩+410rpm（撑块把合螺栓不考虑预紧力）；工况3：低速扭矩+160rpm（撑块把合螺栓:预紧力取1.0x105N，把紧力矩为400Nm）；工况4：高速扭矩+410rpm（撑块把合螺栓:预紧力取1.0x105N，把紧力矩为400Nm）。

3 计算模型描述及边界条件

在建模过程中，考虑到结构的对称性，转子磁极轴向取整体结构的1/2，周向取整体结构的1/6，约束两端截面处节点的切向位移，采用实体单元，磁极冲片、压板和轴配合面采用绑定（Bonded）接触模拟配合，磁极线圈、阻尼条与磁极冲片、压板之间采用摩擦（Frictional）接触模拟配合，考虑到模型只作了轴向的1/2，因此将未作出模型铁心产生的扭矩施加在铁心中心面上。

图1撑块把合螺栓有限元计算模型

4 有限元结果分析

不同载荷时撑块把合螺栓的应力计算结果见下表2。由有限元计算结果可以看到，无论撑块螺栓有无预紧力，其最大应力都小于对应材料的屈服极限784MPa，并且留有足够多的安全余量，用屈服极限进行考核是可以接受的；

表2 不同载荷工况时撑块把合螺栓的最大应力

图2 不考虑螺栓预紧情况下低速和高速时撑块把合螺栓的应力

图3考虑有螺栓预紧情况下低速和高速时撑块把合螺栓的应力

不难发现撑块螺栓有预紧力时电机低速和高速运行时撑块把合螺栓的最大应力大小基本相当，而无预紧力时低速和高速运行对应的最大应力相差较大，因此还需要对螺栓的疲劳进行分析计算。

5撑块把合螺栓的疲劳分析

如果已经得到材料疲劳寿命曲线即S-N[3]曲线的试验值，则可直接用来进行疲劳计算，否则可用以下方法构筑S-N曲线修正的 Goodman 曲线。对于结构钢电机扭矩引起的脉动循环应力的疲劳极限：=0.5=460 Mpa，由机械设计手册[2]查得当D=45mm，材料为合金钢时，尺寸系数为CD=0.76，表面加工方法为精加工，表面系数为C S0.9，承受交变弯曲应力时载荷系数C L0.9 ，考虑上述影响系数之后螺栓的疲劳极限为：283.1 Mpa。

5.1不考虑螺栓预紧时的疲劳极限

考虑到此电机为单向旋转电机，因此 Mpa， Mpa，螺栓的应力幅 Mpa，螺栓的平均应力 Mpa。撑块把合螺栓的拉压疲劳极限为Mpa，疲劳安全系数，不满足疲劳强度要求。

5.2考虑螺栓预紧时的疲劳极限

考虑到此电机为单向旋转电机，因此Mpa，Mpa，螺栓的应力幅Mpa，螺栓的平均应力Mpa

，撑块把合螺栓的拉压疲劳极限为Mpa，疲劳安全系数，满足疲劳强度要求。

图4不考虑螺栓预紧情况下低速和高速时撑块把合螺栓的弯曲应力

图5考虑有螺栓预紧情况下低速和高速时撑块把合螺栓的弯曲应力

6 结论

由计算结果可以得出，撑块螺栓无论在有无预紧力时的最大应力都小于材料的屈服极限784MPa，并有足够的安全余量，用屈服极限进行考核是可以接受的；但是当撑块螺栓有预紧力时低速和高速运行情况下的最大应力值的大小基本相当，而当撑块螺栓无预紧力时低速和高速运行情况下的最大应力值大小相差较大时，经计算此时易发生疲劳断裂，因此撑块螺栓在安装过程中出于安全和可靠性角度考虑有必要考虑施加足够的预紧力。

7 参考文献

[1] 周炬，苏金英.ANSYS Workbench 有限元分析实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2019

[2] 阎邦春.机械设计手册. [M].北京：机械工业出版社，2010

[3] 付酥昇.疲劳分析基础与实例教程[M].北京：人民邮电出版社，2021