水冷油浸式電磁渦流制動器旋轉(zhuǎn)軸的優(yōu)化設計

何 旭，張 力，劉宇輝，喬 目，李田君

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

水冷油浸式電磁渦流制動器是一種輔助制動裝置，具有良好的性能，主要應用在石油鉆機絞車上。其制動力矩大，在與絞車傳動軸相聯(lián)時，可以利用其改變滾筒轉(zhuǎn)速，因此能夠在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，控制鉆具的下放速度。文獻[1]指出，電磁渦流制動器工作時轉(zhuǎn)矩大、工作時間長，往往會使電磁渦流制動器激磁線圈產(chǎn)生大量的熱量，如果結(jié)構(gòu)設計沒有達到最優(yōu)，其應力較大且熱量不能及時散發(fā)，將會使旋轉(zhuǎn)軸損壞、失效，減少電磁渦流制動器的使用年限，嚴重的將會發(fā)生鉆井作業(yè)安全事故。因此，對電磁渦流制動器旋轉(zhuǎn)軸進行優(yōu)化設計尤為必要。

1 水冷油浸式電磁渦流制動器旋轉(zhuǎn)軸的分析

1.1 水冷油浸式電磁渦流制動器結(jié)構(gòu)

水冷油浸式電磁渦流制動器由10個部分組成，分別為轉(zhuǎn)子、定子、離合器、左入口管、右入口管、內(nèi)部循環(huán)腔道、冷卻水進水腔道、排油孔、排水孔、軸承座[2]。左、右入口管與冷卻水進水腔道相連接。電磁渦流制動器的轉(zhuǎn)子在定子外部旋轉(zhuǎn)，定子由磁極和激磁線圈構(gòu)成，激磁線圈是剎車工作電路的一部分，它固定于磁極上與磁極組成一個整體，定子和轉(zhuǎn)子通過牙嵌離合器或齒式離合器與絞車滾筒軸相聯(lián)，由絞車滾筒驅(qū)動。

1.2 電磁渦流制動器旋轉(zhuǎn)軸的斷裂原因分析

旋轉(zhuǎn)軸通常由合金鋼或碳素鋼鍛造而成。優(yōu)質(zhì)碳素鋼是常見的軸材料，包括50碳素鋼、45碳素鋼和35碳素鋼，其中45碳素鋼的應用最為廣泛[3]。由文獻[4]可知，機械部件的疲勞裂紋往往是從部件的表層開始的，在粗糙的外部表面上會產(chǎn)生許多裂紋，當部件經(jīng)受較大壓力時，裂紋上會出現(xiàn)較多的疲勞源。外部電機帶來的扭矩往往容易使軸發(fā)生斷裂，斷裂部位主要位于軸伸端直徑為d1和d2部分相連接的軸肩臺階處(圖 1)，軸的易斷處使其橫截面尺寸發(fā)生變化，這種變化是由嚴重的應力集中產(chǎn)生的，會造成軸的斷裂。由文獻[5]可知，應力集中不但能造成初始疲勞裂紋的產(chǎn)生，而且還能促使裂紋延伸，從而降低應力集中度。因此應合理設計電機軸結(jié)構(gòu)，以降低應力集中。本文使用ANSYS軟件對兩種材料和兩種結(jié)構(gòu)方案的旋轉(zhuǎn)軸進行疲勞應力分析，優(yōu)化設計軸的結(jié)構(gòu)，使軸的壽命得到提升。

圖1 軸斷裂位置

2 ANSYS軟件分析不同材料軸的疲勞應力分布

以型號為DS45的電磁渦流制動器軸(額定轉(zhuǎn)矩60 760N·m，額定功率10kW)為例(圖 1)，d1=224mm，d2=216mm。軸通常采用45碳素鋼或20CrMnTi材料制成。軸在斷裂時的疲勞應力σ′為:

(1)

式中：A為疲勞斷面總面積；An為疲勞斷區(qū)總面積，An為A的8%～10%；σbn為材料缺口強度極限，取

σbn=1.2σb，σb為材料的拉伸強度。

由式(1)的計算結(jié)果可知，軸的斷裂疲勞應力σ′遠小于45碳素鋼的屈服強度σs=360MPa(見表 1)，表明軸具有足夠的剛度，因此軸的斷裂是由于在高速循環(huán)應力下產(chǎn)生疲勞損傷而導致的，而軸受到的力主要是外部驅(qū)動力帶來的徑向力。

表1 材料的主要力學參數(shù)

表中ψ為應力系數(shù)，ετ為零件尺寸系數(shù)，R為軸肩臺階處過渡圓弧的半徑。

(2)

(3)

(4)

式中：T為電機軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；Wp為零件危險截面的抗扭截面系數(shù)；τ-1為電機軸傳遞的扭轉(zhuǎn)疲勞極限應力；β為表面質(zhì)量系數(shù)；η為零件的安全系數(shù)；ψτ為一切應力種類系數(shù)；P為額定功率，kW；n為額定轉(zhuǎn)速，r/min。

由表2可知，20CrMnTi的疲勞應力比45碳素鋼的疲勞應力要大得多，說明電磁渦流制動器軸選用20CrMnTi材料時其疲勞壽命較選用45碳素鋼時高。運用ANSYS軟件對兩種材料的軸進行有限元分析，借鑒文獻[7]中的分析步驟，首先進行材料和元素的定義，然后劃分網(wǎng)格(圖2) ，在軸上增添分布負載轉(zhuǎn)矩T(圖3)，最后進行應力分析，得到兩種材料的軸的應力云圖如圖4，5所示。

表2 式(3)計算得到的疲勞應力

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 增添分布負載轉(zhuǎn)矩T

圖4 20CrMnTi軸應力云圖

圖5 45碳素鋼軸應力云圖

由圖4，5可以看出，軸的最大應力出現(xiàn)在直徑為d1與d2部分相連接的軸肩臺階處，20CrMnTi軸的應力為435MPa～528MPa，45碳素鋼軸的應力為543MPa～633MPa，說明20CrMnTi材料軸的疲勞壽命高于45碳素鋼軸。

3 不同結(jié)構(gòu)軸的疲勞極限應力分布

以DS45電磁渦流制動器軸為設計原型，利用CAD軟件設計出不同尺寸的過渡圓弧結(jié)構(gòu)，再用UG軟件建立電磁渦流制動器軸的三維有限元模型[8]，然后將模型導入ANSYS軟件中進行有限元分析，得到兩種不同結(jié)構(gòu)軸的應力云圖如圖6、圖7所示。對于同一材料不同的結(jié)構(gòu)設計，控制疲勞裂紋源的產(chǎn)生才是延長軸使用壽命的主要方法[9]。通過對軸的變形動畫觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞應力隨R的增大而逐漸增大，且在軸肩臺階處產(chǎn)生的疲勞應力最大，疲勞裂紋源于此處。通過減少部件的有效應力集中系數(shù)kτ來提升部件的表面質(zhì)量系數(shù)β，可以有效地提高其使用壽命[10]。觀察圖6、圖7發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)軸的最大應力都出現(xiàn)在直徑為d1與d2部分相連接的軸肩臺階處，有過渡圓弧(R=3mm)軸的應力為556MPa～665MPa，無過渡圓弧軸的應力為568MPa～679MPa，故建議電磁渦流制動器旋轉(zhuǎn)軸采用有過渡圓弧的結(jié)構(gòu)。

圖6 20CrMnTi有過渡圓弧(R=3mm)軸應力云圖

圖7 20CrMnTi無過渡圓弧軸應力云圖

4 結(jié)論

本文通過對電磁渦流制動器旋轉(zhuǎn)軸材料與結(jié)構(gòu)的改進，使軸的耐用性得到提升，使用壽命、維修周期變長，減少了維護次數(shù)，節(jié)約了維護成本。通過分析得到以下結(jié)論：

1)扭轉(zhuǎn)和彎曲作用下的高速循環(huán)應力是造成軸斷裂的主要因素。

2)軸的疲勞應力起源于軸肩臺階處，由局部應力集中產(chǎn)生，經(jīng)過計算和ANSYS仿真模擬可知，軸的材料應選用20CrMnTi，并將軸肩臺階處設計過渡圓弧。

3)優(yōu)化設計后的20CrMnTi軸的使用壽命比原軸壽命可延長2～3年。

參考文獻：

[1] 李德福，劉建梅，付占新.水冷式電磁剎車冷卻系統(tǒng)分析及改進[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2012(11):237-238.

[2] 陳明元，王志君. 水冷油浸式電磁渦流制動器：201210333690.3 [P].2012-09-11.

[3] 胡世炎.機械失效分析手冊[M].成都：四川科學技術出版社，1989.

[4] 王德俊.機械設計手冊 [M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[5] 譚剛強.DS45型電磁渦流制動器試驗情況[J].石油鉆采機械,1985 (11):259-269.

[6] 曾翠華，廖海平.電機軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[D]:廣州：廣東工業(yè)大學，2004.

[7] 趙少汴.多軸疲勞的應變- 壽命曲線[J].機械強度，1999,21(4):305-306.

[8] 顏云輝， 謝里陽.結(jié)構(gòu)分析中的有限單元法及其應用[M].沈陽：東北大學出版社，2000.

[9] CHEN K C, YEH C S. Extended irreversible thermodynamics approach to magnetorheological fluids[J]. Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics，2001(4):355-372.

[10] CHIEN W Z. Torsional stiffness of shells of revolution[J]. Appl. Math. Mechanics, 1990(11): 403-412.