基于有限元法的牽引電機端蓋輕量化設計

湯黎明，丁 雷

（南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

基于有限元法的牽引電機端蓋輕量化設計

湯黎明，丁 雷

（南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

通過有限元法對某型號牽引電機端蓋進行輕量化設計。在端蓋質量不變的前提下，提出了4種端蓋的通風筋優(yōu)化方案，計算原方案及4種優(yōu)化方案的剛度，發(fā)現(xiàn)增加筋的數(shù)量可以提高這種端蓋的剛度。綜合考慮工藝和設計，提出了最終優(yōu)化方案，這種優(yōu)化方案可以保證端蓋的徑向剛度不降低，同時減少端蓋約3%的質量。

輕量化；端蓋；剛度；有限元

1 引言

隨著我國軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力驅動列車如電力機車、動車組日益朝著高速重載方向發(fā)展。列車對牽引電機提出了越來越高的要求，為了提高列車整體的可靠性，希望電機在發(fā)揮足夠功率的同時擁有更輕的質量。端蓋作為牽引電機上主要的結構件，迫切需要在保證產(chǎn)品性能的同時，進行輕量化設計。

有限元方法是現(xiàn)代工程實際中一種有效、快捷的輔助工具。把有限元法應用于牽引電機端蓋的結構優(yōu)化設計中，可以加快產(chǎn)品設計周期，提高產(chǎn)品質量。文章以某型號牽引電機傳動端端蓋為優(yōu)化對象，目標是在保證端蓋徑向剛度不變的前提下，盡量挖掘端蓋的潛力，降低端蓋的質量。

2 優(yōu)化方案對比

原6方案端蓋如圖1所示，一共有4根均布的加強筋，現(xiàn)考慮改變加強筋的數(shù)量，在保證質量不變的同時，將加強筋的數(shù)量改為6根、8根、10根和12根，分別別得到4種方案，4種方案如圖2～圖5所示。為了抓住問題的主要矛盾，本文將端蓋的細節(jié)進行了簡化。

圖1 原方案

圖2 方案1

圖3 方案2

圖4 方案3

圖5 方案4

3 有限元模型的建立

建立有限元模型，比較以上5種方案的傳動端端蓋剛度。該電機傳動端端蓋上安裝的是不帶軸向定位的圓柱滾子軸承，故端蓋主要承受徑向力，不承受轉子給予的軸向力。因此，我們關心端蓋的徑向剛度，現(xiàn)比較五種方案端蓋X，Y，Z三個方向的剛度。X，Y為徑向，Z為軸向。

端蓋的材料為球墨鑄鐵QT-400-18。

邊界條件如下：將止口面固定，軸承中心作為施力點，將施力點與端蓋的軸承安裝面耦合起來。邊界條件如圖6所示，在施力點上分別沿X、Y、Z施加10k·N的力，利用有限元軟件計算施力點的位移。有限元網(wǎng)格模型采用4面體網(wǎng)格，如圖7

所示。

圖6 仿真邊界條件

圖7 網(wǎng)格模型

4 仿真結果對比

五種方案的計算結果表1所示。

表1 施力點位移(mm)

因為施加的力相同，所以位移越小，剛度越好。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，方案1至方案4的剛度均好于原方案，且方案1的剛度最好。從中可以得出一個結論：對于所分析傳動端端蓋結構，在質量相同的情況下，通風筋的數(shù)量越多，端蓋的剛度越好。

端蓋受到鑄造工藝條件的限制，鑄造的筋的數(shù)量不能太多，故選定最終方案的筋的數(shù)量為12個，并在此基礎上進行輕量化分析。

5 最終方案

在方案4基礎上繼續(xù)進行優(yōu)化，得到方案5：將通風筋數(shù)量定為12，通風筋的寬度定為20mm。方案5如圖8所示。

Lightweight Design for the End CapofTraction Motor Based on Finite Element Method

TANG Li-ming,DING LEI
(CSR Zhuzhou Electric Co.,ltd,Zhuzhou，Hunan 412001,China)

In this paper,Lightweight designwasperformed fora certain type of traction motor cover.Under the premise the the weight of thecover was constant,four optimizationproposalsforventilation rib were proposed.The stiffness of the original cover and four kinds of optimized covers were calculated,it was found that ifincreasing the number of ventilation rib,the stiffnessof the cover would be strengthened.Takingprocessing and designinto comprehensiveconsideration,thepaper proposed the final optimization proposal.The new proposal could make sure the radial stiffness wouldn't decrease,and about 3%of cover quantity would becutted.

lightweight;end cap;stiffness;finite element

TM303

A

2095-980X（2015）02-0035-02

2015-01-15

湯黎明（1986-），男，湖北十堰人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：電機結構設計。