電動機吊座的結(jié)構(gòu)分析

金廣柱，段友斌

(佳木斯技師學(xué)院，黑龍江佳木斯154002)

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電動機吊座的結(jié)構(gòu)分析

金廣柱，段友斌

(佳木斯技師學(xué)院，黑龍江佳木斯154002)

摘要闡述了利用Pro/E軟件進行了電機吊座實體建模，并利用Pro/E軟件強大的有限元分析功能進行了結(jié)構(gòu)分析、動靜力學(xué)分析、疲勞強度預(yù)測的過程，并利用以上的構(gòu)建模型及分析結(jié)果，對電機吊座進行了一定的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞電機吊座；Pro/E；結(jié)構(gòu)分析

0引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，特別是高鐵、地鐵、機車及其他很多交通工具類型全部由蒸汽型機車轉(zhuǎn)變成電力機車、電傳動內(nèi)燃機車。實現(xiàn)了電機應(yīng)用到機車之上，特別是火車經(jīng)過幾次大的提速之后，由于速度的提高加大了懸掛電機的振動，使機車的牽引電動機吊座經(jīng)常出現(xiàn)故障及斷裂，如何避免吊座的斷裂和預(yù)測其疲勞強度并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是電機廠亟需解決的問題之一，傳統(tǒng)的方法是采用傳統(tǒng)的估計公式的設(shè)計方法定型電機吊座，并把產(chǎn)品投放市場，經(jīng)市場反饋及時確定產(chǎn)品改型方案。由于其周期長，需經(jīng)過數(shù)年時間，同時也會產(chǎn)生極大的負(fù)面影響：(1)是對產(chǎn)品聲譽造成巨大的損害；(2)是往往產(chǎn)品還沒重新優(yōu)化改型，產(chǎn)品已經(jīng)下線。因此如何在設(shè)計之初直接進行優(yōu)化設(shè)計并預(yù)測疲勞強度是一個亟待解決的問題。近年來隨著大型軟件Pro/E的普及以及Pro/E軟件產(chǎn)品有限元分析并進行產(chǎn)品優(yōu)化功能的應(yīng)用逐漸興起，不但能使用Pro/E進行產(chǎn)品設(shè)計還能使用Pro/E軟件對新產(chǎn)品在設(shè)計之初進行設(shè)計分析優(yōu)化成為可能，大大的縮短了新產(chǎn)品投放的時間，保證了產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)最優(yōu)最節(jié)省材料的情況下，最快的投放市場。本文主要介紹了如何利用功能強大的Pro/E軟件對火車電機吊座進行結(jié)構(gòu)和力學(xué)分析并進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和部分優(yōu)化。

1建立模型

1.1首先利用Pro/E強大的三維建模功能根據(jù)工程尺寸圖1進行實體拉伸、打孔、拔模斜度、倒圓角，建模電機吊座，如圖2。

1.2創(chuàng)建載荷

進Pro/E下應(yīng)用程序選MECHANICA →每個內(nèi)孔表面力取350 kN確定(7t沖擊力每孔3500kg)。

1.3分配材料

進Pro/E進應(yīng)用程序選MECHANICA進模型類型進行材料分配，編輯材料屬性：鑄造成型，拉伸屈服應(yīng)力為345Mpa；抗張極限應(yīng)力為400Mpa;材料類型→低合金鋼Q235A;表面光潔度:鑄造成型;彈性模量E為210GPa,泊松比μ=0.3，材料密度7.86kg/dm3。

1.4創(chuàng)建網(wǎng)格

單擊上文已建模好的文件b.prt→應(yīng)用程序→MECHANICA創(chuàng)建最小角5.08，最大角148.39生成632條邊，831個面網(wǎng)格。

通過以上步驟基本完成了電機吊座的分析前的參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)備工作，為下一步Pro/E分析做好了鋪墊工作。

2結(jié)構(gòu)分析

在實際工作中電機吊座雙耳經(jīng)常出現(xiàn)斷裂及耳孔破裂，通過分析電機吊座模型及工程圖(如圖1)的零件外觀及結(jié)構(gòu)可以看出其受力區(qū)域主要在雙耳，需要優(yōu)化的尺寸主要有兩個：(1)雙耳厚度30；(2)雙耳外徑尺寸R50。在這兩個尺寸中厚度這個尺寸的大小決定著電機吊座的結(jié)構(gòu)是否合理，材料使用壽命是否符合要求，受力是否滿足要求等。本文主要利用Pro/E應(yīng)用程序MECHANICA進行“有限元方式”分析，并進行以下結(jié)構(gòu)強度；結(jié)構(gòu)分析；疲勞預(yù)測分析三方面研究。

2.1靜態(tài)分析

選用菜單欄中的分析下MECHANICA命令進行靜態(tài)分析，經(jīng)過幾分鐘分析完成靜態(tài)分析后得到電機吊座的模型應(yīng)力條紋圖,如圖3所示；變形量曲線,如圖4所示.通過分析厚度大于26mm均滿足要求。所以此設(shè)計厚度在允許范圍內(nèi)。

2.2模態(tài)分析

退出以上結(jié)果窗口,進入Pro/E應(yīng)用程序MECHANICA下分析和設(shè)計,選擇模態(tài)分析命令對模型進行模態(tài)分析并顯示出現(xiàn)的問題，圖5是模型的變形條紋圖,通過分析雙耳耳環(huán)及雙耳根部受力最大，極易損壞。

2.3疲勞分析

退出模態(tài)結(jié)果顯示窗口,進入菜單欄中的文件下疲勞分析命令，選擇分析選項卡進行疲勞分析的創(chuàng)建進行疲勞分析，經(jīng)過分析顯示壽命條紋圖見圖6；顯示破壞條紋圖見圖7；顯示安全系數(shù)條紋圖見圖8；顯示壽命置信度條紋圖見圖9。經(jīng)過分析在上面的結(jié)構(gòu)設(shè)計上疲勞強度以鑄造為工藝，有效期天數(shù)為7864天；工藝如采用鍛造天數(shù)為8752天；工藝采用表面拋光則27654天。一般由于鑄造成型成本低，因此可采用鑄造成型，但應(yīng)預(yù)測疲勞強度，并規(guī)定報廢年限，在其達(dá)到報廢年限時立即更換報廢，防止造成更大損失(如電機吊座達(dá)到報廢年限，沒有及時更換，造成電機吊座斷裂，由于是懸掛式電機可能造成電機掉落損壞或人身傷害)是非常關(guān)鍵和必要的。

2.4敏感度分析

退回分析和設(shè)計研究對話框,選擇新建標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究命令,在3D模型中顯示吊耳厚度尺寸30輸入變化量20,隨后進行敏感度分析顯示出分析的結(jié)果：應(yīng)力隨吊耳厚度變化條紋圖，如圖10；最大應(yīng)力隨吊耳厚度變化曲線，如圖11。從圖11中可知厚度30對應(yīng)最大應(yīng)力為提速前320Mpa(提速后340 Mpa),接近最大應(yīng)力345 Mpa，尤其提速后應(yīng)力已接近極限，如果動應(yīng)力達(dá)到極限極易斷裂，因此應(yīng)進行改進或優(yōu)化。

3結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

回到分析和設(shè)計研究對話框，進入新建優(yōu)化設(shè)計研究下的優(yōu)化選項，定義極限列表框中數(shù)值200。選中3D模型中的吊耳尺寸30，結(jié)果窗口中顯示變形與吊耳厚度變化條紋圖，如圖12，通過測量選項雙耳根部尺寸為41.61頂部尺寸為32.1最終在其他尺寸不變的情況下確定雙耳頂部尺寸厚度為32,完成優(yōu)化設(shè)計分析．最后進行零件升級完成優(yōu)化后模型圖13。重新進行敏感度實驗雙耳厚度變?yōu)?2后，其最大應(yīng)力315 Mpa遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于345Mpa，且其疲勞強度比原來略有提高，此零件合格。

4結(jié)語

本文利用Pro/E軟件通過對電機吊座的有限元分析得出電機吊座產(chǎn)生斷裂愿因主要有兩個：(1)提速后機車運行過程中沖擊載荷(即動應(yīng)力)過大導(dǎo)致斷裂；(2)疲勞強度造成斷裂。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后達(dá)到以下結(jié)果：(1)通過改變厚度尺寸即將吊座厚度從30改為32，雖然增加了材料質(zhì)量并增加成本，但大大的提升了電機吊座雙耳的強度系數(shù)避免了因提速后機車運行過程中沖擊載荷過大導(dǎo)致斷裂；(2)預(yù)測了疲勞強度及其提高方法即用規(guī)定報廢時間20年或進行拋光使其壽命達(dá)到70年，從而避免疲勞強度造成斷裂，使產(chǎn)品由不可控隨時有斷裂的危險變?yōu)榭煽氐膱髲U年限。因此其安全性的提高所帶來的價值無法估量的。

Pro/E軟件有限元分析方法不僅對電機吊座能進行有限元分析和結(jié)構(gòu)分析和一定的優(yōu)化而且對同類產(chǎn)品也具有極大的推廣作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉坤.Pro/MECHANICA有限元方法精解.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[2]薩殊利. 機車總體與走行部. 北京：北方交通大學(xué)出版社，2003.

[3]李霞.SS4改進型機車牽引電機懸掛座出現(xiàn)裂紋的原因探討及改進建議.機車電傳動，2004.

[4]張思.振動測試與分析技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[5]杜平安，甘娥忠，于亞婷.有限元法原理、建模及應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

Structural Analysis on Lifting Socket of Motor

JinGuangzhuandDuanYoubin

(Jiamusi Technician College, Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper describes modeling of motor lifting socket by software Pro/E, and the processes of structural analysis, dynamic and static analyses, fatigue strength prediction based on powerful finite-element analysis function of Pro/E. A certain structural analysis and optimization of motor lifting socket are carried out based on the above analysis results of model.

Key wordsLifting socket of motor；Pro/E；structural analysis

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.06

中圖分類號：TM303

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)03-0020-004

作者簡介：金廣柱男1966年生；畢業(yè)于佳木斯大學(xué)(原工學(xué)院)機械制造與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事模具結(jié)構(gòu)和設(shè)計等方向研究.

收稿日期：2016-04-27