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目前，承擔鐵路貨物運輸?shù)闹餍蜋C車是直流驅(qū)動電力機車，由于直流驅(qū)動貨運電力機車單機功率小，成為制約鐵路運輸能力的瓶頸，影響西北、西南等地區(qū)的資源外運，嚴重制約國民經(jīng)濟的發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對鐵路貨運能力的要求越來越高。異步牽引電機可提高單機功率，因此，為了滿足鐵路貨運要求，急需研制新型的大功率交流驅(qū)動貨運電力機車，以提高運輸能力，解決鐵路運輸瓶頸問題，實現(xiàn)鐵路裝備的現(xiàn)代化。牽引電機作為電力機車的心臟，是電力機車穩(wěn)定運行的核心裝置。異步牽引電機的設(shè)計和研制對于提高重載貨運機車的運輸能力和運輸效率具有重要意義，在鐵路大運量貨運上有廣闊的應(yīng)用前景，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。異步牽引電機采用內(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的裝配模型，用有限元分析方法對其強度進行分析求解，并分析了裝配過盈量對最大應(yīng)力的影響規(guī)律。
JD160型異步牽引電機的結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、測速裝置和主動齒輪等部分組成。本文主要關(guān)注電機轉(zhuǎn)軸的強度分析，因此這里重點分析與轉(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)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩以實現(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)時不與定子相擦，實現(xiàn)電機定子和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的、轉(zhuǎn)動靈活的機械連接。本研究對電機轉(zhuǎn)子的若干部件做如下簡化：1)將轉(zhuǎn)子硅鋼片疊壓在一起的結(jié)構(gòu)視為一個獨立的剛體。2)由于軸承的具體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時整體結(jié)構(gòu)分析中對軸承、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D端軸承與N端軸承的結(jié)構(gòu)進行簡化，對D端軸承的14個滾柱與N端軸承的9個滾珠，在分析中采用僅能承受壓縮而不能承受拉伸的GAP單元進行簡化分析。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的剛度。3)為了便于網(wǎng)格劃分，對轉(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齒輪載荷進行等效，同時對齒輪結(jié)構(gòu)進行簡化；其余構(gòu)件的局部細微特征(尤其是齒輪的油槽倒角、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)上的工藝退刀槽)均做詳細的網(wǎng)格劃分。簡化后的JD160型異步牽引電機轉(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。
按照工藝要求對模型的過盈裝配采用兩個分析步進行定義，在第一個分析步定義中首先進行轉(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。在第二個分析步中進行轉(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；同時為了模型收斂，還需要給定邊界條件進行模型自由度約束，防止分析過程中出現(xiàn)剛體位移。通過對標準工藝裝配過程進行分析，可以得到電機轉(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，與周圍單元應(yīng)力梯度差異較大，第一個慣孔位置的應(yīng)力為606.0MPa，第二個慣孔位置的應(yīng)力為608.1MPa，兩個貫穿油孔及相關(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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