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目前，承擔(dān)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)闹餍蜋C(jī)車是直流驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車，由于直流驅(qū)動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車單機(jī)功率小，成為制約鐵路運(yùn)輸能力的瓶頸，影響西北、西南等地區(qū)的資源外運(yùn)，嚴(yán)重制約國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)鐵路貨運(yùn)能力的要求越來越高。異步牽引電機(jī)可提高單機(jī)功率，因此，為了滿足鐵路貨運(yùn)要求，急需研制新型的大功率交流驅(qū)動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車，以提高運(yùn)輸能力，解決鐵路運(yùn)輸瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)鐵路裝備的現(xiàn)代化。牽引電機(jī)作為電力機(jī)車的心臟，是電力機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行的核心裝置。異步牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)和研制對(duì)于提高重載貨運(yùn)機(jī)車的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率具有重要意義，在鐵路大運(yùn)量貨運(yùn)上有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。異步牽引電機(jī)采用內(nèi)錐軸，與以往的外錐軸在應(yīng)力分析上不同，本研究建立了異步牽引電機(jī)的裝配模型，用有限元分析方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行分析求解，并分析了裝配過盈量對(duì)最大應(yīng)力的影響規(guī)律。
JD160型異步牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、測(cè)速裝置和主動(dòng)齒輪等部分組成。本文主要關(guān)注電機(jī)轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度分析，因此這里重點(diǎn)分析與轉(zhuǎn)軸模型關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)部件，即轉(zhuǎn)子與軸承的裝配模型。轉(zhuǎn)子是用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要部件，它由轉(zhuǎn)子鐵芯、導(dǎo)條、端環(huán)和轉(zhuǎn)軸等組成。軸承是連接靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的部件，使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)不與定子相擦，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的機(jī)械連接。本研究對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的若干部件做如下簡(jiǎn)化：1)將轉(zhuǎn)子硅鋼片疊壓在一起的結(jié)構(gòu)視為一個(gè)獨(dú)立的剛體。2)由于軸承的具體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)分析中對(duì)軸承、尤其是軸承內(nèi)滾珠的應(yīng)力狀態(tài)并不十分關(guān)注，因此對(duì)D端軸承與N端軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)D端軸承的14個(gè)滾柱與N端軸承的9個(gè)滾珠，在分析中采用僅能承受壓縮而不能承受拉伸的GAP單元進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。并且通過設(shè)置GAP單元的間隙值等于D端軸承的游隙，其游隙的大小為0.225mm，以此描述軸承在傳遞彎矩時(shí)的剛度。3)為了便于網(wǎng)格劃分，對(duì)轉(zhuǎn)軸N端部的螺栓孔僅考慮中心的圓孔。4)采用等效彎矩和扭矩對(duì)齒輪載荷進(jìn)行等效，同時(shí)對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化；其余構(gòu)件的局部細(xì)微特征(尤其是齒輪的油槽倒角、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)上的工藝退刀槽)均做詳細(xì)的網(wǎng)格劃分。簡(jiǎn)化后的JD160型異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配與網(wǎng)格模型如圖所示。構(gòu)件的基本材料性能參數(shù)如表所示。
按照工藝要求對(duì)模型的過盈裝配采用兩個(gè)分析步進(jìn)行定義，在第一個(gè)分析步定義中首先進(jìn)行轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子沖片過盈裝配，裝配過盈量為0.1255mm；轉(zhuǎn)軸與N端轉(zhuǎn)子壓圈的過盈裝配過盈量為0.18mm。在第二個(gè)分析步中進(jìn)行轉(zhuǎn)軸與擋圈的過盈裝配，過盈量為轉(zhuǎn)軸變形修正后的0.0124mm；轉(zhuǎn)軸與D端轉(zhuǎn)子壓圈過盈裝配過盈量為0.105mm；轉(zhuǎn)軸與齒輪軸過盈裝配過盈量為0.115mm，其中齒輪前緣的導(dǎo)錐部分過盈量為0.0933mm；同時(shí)由于齒輪通過輸油孔的壓力將D軸承脹大，轉(zhuǎn)軸與D端軸承內(nèi)圈裝配，裝配后過盈量為0.069mm；轉(zhuǎn)軸與N端軸承內(nèi)圈裝配過盈量為0.035mm。整個(gè)分析過程中除了需要定義各種過盈裝配，還需要定義N端和D端轉(zhuǎn)子壓圈與轉(zhuǎn)子沖片之間的接觸，以及部件單元表面的分布藕合約束等；同時(shí)為了模型收斂，還需要給定邊界條件進(jìn)行模型自由度約束，防止分析過程中出現(xiàn)剛體位移。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝裝配過程進(jìn)行分析，可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配后的預(yù)應(yīng)力，其轉(zhuǎn)子剖面的應(yīng)力云圖如圖所示。對(duì)齒輪做軸向解剖，其剖面在貫穿油孔的區(qū)域出現(xiàn)了區(qū)域性的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為668.3MPa，出現(xiàn)在齒輪倒椎前緣的過盈界面;其次應(yīng)力集中的位置主要是慣孔節(jié)點(diǎn)，與周圍單元應(yīng)力梯度差異較大，第一個(gè)慣孔位置的應(yīng)力為606.0MPa，第二個(gè)慣孔位置的應(yīng)力為608.1MPa，兩個(gè)貫穿油孔及相關(guān)區(qū)域的應(yīng)力分布如圖所示。轉(zhuǎn)軸靠近D端的位置亦出現(xiàn)了較高的應(yīng)力分布，其轉(zhuǎn)軸的最大應(yīng)力值為437.0MPa，出現(xiàn)在退刀槽對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)軸與齒輪過盈接觸的內(nèi)表面，小于轉(zhuǎn)軸的許用應(yīng)力466.667MPa。轉(zhuǎn)軸在過盈裝配中的應(yīng)力分布云圖如圖所示。
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