基于MBD的電機(jī)靜密封結(jié)構(gòu)工藝協(xié)同設(shè)計(jì)

謝宗晟 李吉興 徐四海

一、課題相關(guān)概念

1、MBD技術(shù)

MBD技術(shù)是信息化在航天機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的一次重大改革，將生產(chǎn)制造和原理設(shè)計(jì)用同—種“通用語(yǔ)言”進(jìn)行定義，這種“通用語(yǔ)言”即為三維數(shù)字模型。使用三維模型替換傳統(tǒng)的二維工程圖，可以確保電機(jī)裝配工藝相關(guān)訊息的完整xing ，電機(jī)裝配工藝所需三類(lèi)信息即：產(chǎn)品、工藝和資源，其中產(chǎn)品是指產(chǎn)品中所需裝配的具體對(duì)象，可能是零件、部件和組件甚至是整機(jī);工藝是指裝配產(chǎn)品具體對(duì)象的過(guò)程、順序以及方法;資源是指裝配產(chǎn)品使用的人員、設(shè)備和工具。

2、電機(jī)密封結(jié)構(gòu)

密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了保證電機(jī)內(nèi)部組件在液體、氣體環(huán)境下正常工作，避免外部液體、氣體侵入電機(jī)內(nèi)部從而影響電機(jī)的正常功能昕專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的具有阻止外部液體、氣體侵入的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

動(dòng)密封和靜密封是機(jī)電產(chǎn)品常見(jiàn)的兩種密封形式，—般使用靜密封的方案為墊片密封。密封設(shè)計(jì)采用不同的密封方式所需的裝配工藝、裝配設(shè)備以及裝配工裝和工具的要求也不盡相同，同時(shí)還兼顧蜜蜂可靠性，最底限度可靠性要求應(yīng)在電機(jī)的使用壽命期限內(nèi)，密封結(jié)構(gòu)的泄露率滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

二、電機(jī)整體工藝協(xié)同設(shè)計(jì)

首先，繪制電機(jī)的整體MBD結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。根據(jù)的MBD模型的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)材料賦值對(duì)構(gòu)成電機(jī)本體的不同結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行質(zhì)量填充，通過(guò)計(jì)算可獲得各部位重量，如表1所示。

根據(jù)MBD模型以及電機(jī)各部分的重量，可以知電制動(dòng)器布置在電機(jī)軸伸端，旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機(jī)后端，兩者引出線均由電機(jī)徑向引出。電機(jī)前、后端蓋分別通過(guò)支承環(huán)I、Ⅱ與機(jī)殼配合連接。考慮到各部分的重量分布，因此端蓋與機(jī)殼、旋變外罩與后端蓋之間選擇硅橡膠密封墊片的密封方式。

1、定子組件工藝協(xié)同設(shè)計(jì)

將電機(jī)的定子組件進(jìn)行三維建模，需要搭建機(jī)殼和定子電樞兩個(gè)MBD模型，如圖2所示。由于該電機(jī)的工作環(huán)境溫度高，因此，鐵芯與機(jī)殼之間必須采用過(guò)盈配合并用高溫膠粘劑輔助粘接的工藝措施。為進(jìn)一步改善和保證可靠性，壓裝后對(duì)機(jī)殼和鐵芯間加裝了緊定螺釘。

定子電樞是定子組件的核心部件，由絕緣端板、鐵芯及銅線繞制而成。電動(dòng)機(jī)電樞鐵芯為了便于嵌線，槽開(kāi)口選為1.5mm。繞組的連接方式為丫接，為降低電機(jī)溫升、提升電機(jī)性能，需采用線徑較大的漆包線，但由此帶來(lái)較高的槽滿率，造成下線困難，由于需要提高定子槽的利用率，提高嵌線和整形的工藝性，需要去掉槽絕緣層。為降低定子繞組的抗電失效風(fēng)險(xiǎn)，選用W30-11型改性有機(jī)硅浸漬漆對(duì)繞組進(jìn)行真空浸漆處理。

2、轉(zhuǎn)子組件工藝協(xié)同設(shè)計(jì)

通過(guò)構(gòu)建MBD裝配模型可以看出轉(zhuǎn)子組件由電機(jī)軸、轉(zhuǎn)子芯、磁極和加強(qiáng)套構(gòu)成，如圖3所示。殼體和端蓋通過(guò)兩側(cè)軸承支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子，以確保電動(dòng)機(jī)的自由運(yùn)動(dòng)。電機(jī)磁路的組成部分之一為轉(zhuǎn)子鐵芯，通過(guò)附著在鐵芯上的磁鋼使轉(zhuǎn)子鐵芯成為磁體。磁鋼是永磁同步電機(jī)工作過(guò)程中的能量源，為電機(jī)氣隙提供一定的氣隙磁場(chǎng)，通過(guò)氣隙磁場(chǎng)與電樞反應(yīng)磁場(chǎng)相互作用，可以在負(fù)載工作時(shí)提供力矩。

為避免高溫高速時(shí)發(fā)生鐵芯與轉(zhuǎn)軸之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)了滾花結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸采用過(guò)盈配合的方式。為保證和增強(qiáng)其配合可靠性，在壓裝時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)軸滾花部位進(jìn)行了涂高溫膠的措施。電機(jī)轉(zhuǎn)子組件MBD模型，如圖3所示。

三、密封結(jié)構(gòu)工藝協(xié)同設(shè)計(jì)

1、裝配工藝PPR建模

電機(jī)研制生產(chǎn)過(guò)程的全部工藝信息包括產(chǎn)品、工藝和資源。其中產(chǎn)品是指產(chǎn)品中所需裝配的具體對(duì)象，可能是零件、部件、組件甚至是整機(jī);工藝是指裝配產(chǎn)品具體對(duì)象的過(guò)程、順序以及方法;資源是指裝配產(chǎn)品使用的人員、設(shè)備和工具。其中工藝是裝配中的核心，是將人員、產(chǎn)品、資源、方法以及環(huán)境有機(jī)結(jié)合并最終形成需要產(chǎn)品的指導(dǎo)者，其中工藝的規(guī)劃過(guò)程就是通過(guò)工藝布局、設(shè)定工序和工步以及制定生產(chǎn)節(jié)拍將所生產(chǎn)的產(chǎn)品、現(xiàn)有的工藝資源以及制造所需的相關(guān)信息的合理規(guī)劃，建立PPR模型，如圖4所示。

裝配工藝規(guī)劃過(guò)程中涉及到產(chǎn)品關(guān)系模型的構(gòu)建，主要由三種矩陣組成：固定一連接矩陣、安裝矩陣和結(jié)構(gòu)矩陣。

2、密封結(jié)構(gòu)MBD建模

該電機(jī)具有防水要求，因此必須考慮電機(jī)的密封措施。密封方式可以分為電機(jī)零（部）組件之間相對(duì)靜密封和電機(jī)零（部）組件之間相對(duì)的動(dòng)密封，靜密封是通過(guò)采用相對(duì)靜止的零（部）組件達(dá)到結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密地封閉，動(dòng)密封設(shè)計(jì)是通過(guò)采用相對(duì)運(yùn)用的零（部）組件達(dá)到零件間的密封性能。在該電機(jī)中，只需考慮電機(jī)引出線與機(jī)殼出線孔、端蓋與機(jī)殼、旋變外罩與后端蓋之間的靜密封。靜密封的分類(lèi)如表2所示。

該電機(jī)中端蓋與機(jī)殼、旋變外罩與后端蓋之間選用墊片密封的方式，為保證使用溫度條件以及裝配工藝性，靜密封方案選擇橡膠密封圈。

密封結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程仿真的主要目的是進(jìn)行零部件的碰撞檢查，即檢查零件之間是否發(fā)生、何處發(fā)生以及時(shí)發(fā)生了碰撞。比較典型的包圍盒技術(shù)有：裝配包圍圈、徑向包圍盒和多方向包圍盒（OBB），其中OBB對(duì)實(shí)際裝配的仿真貼合程度最好，迭代精度較高。

OBB是指將代表密封件的幾何體表征為在任意方向上尺寸最小的矩形，如圖5所示，將邊界框的裝配方向設(shè)置為隨機(jī)生成，可以提高模擬的魯棒_生。

3、裝配工藝方案

通過(guò)對(duì)電機(jī)總裝進(jìn)行MBD建模以及電機(jī)仿真可以看出，需要考慮在電機(jī)運(yùn)行時(shí)要通過(guò)轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械功率所以轉(zhuǎn)子鐵芯與軸結(jié)合的可靠性是很重要的。當(dāng)轉(zhuǎn)子外徑小于300mm時(shí)，裝配工藝應(yīng)當(dāng)選擇將轉(zhuǎn)子鐵芯直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上;而對(duì)于轉(zhuǎn)子外徑大于300mm時(shí)小于400mm時(shí)，裝配工藝需要先將轉(zhuǎn)子支架壓入鐵芯，然后再將轉(zhuǎn)軸壓入轉(zhuǎn)子支架。由于該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速高、工作環(huán)境溫度高，單純的采用一種配合方式難以保證轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此為了提高裝配的工藝性，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上需要增加設(shè)計(jì)滾花結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸采用過(guò)盈配合的方式，最終可以通過(guò)采用熱壓的工藝措施，為保證和增強(qiáng)其可靠性，在壓裝時(shí)還需轉(zhuǎn)軸滾花部位進(jìn)行了涂高溫膠的措施。

在保證電機(jī)總裝后，密封采用電機(jī)引出線與機(jī)殼出線孔之間采取硅橡膠護(hù)線套的工藝措施。通碰撞檢查過(guò)引出線經(jīng)由護(hù)線套從電機(jī)內(nèi)部引出的裝配，護(hù)線套與出線孔、引出線與護(hù)線套之間均采取過(guò)盈配合，通過(guò)模擬擠壓量確定過(guò)盈尺寸，確保保證引出線與出線孔間的密封以及可裝配性。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在電機(jī)的藍(lán)圖過(guò)程中按照裝配工藝需要對(duì)電機(jī)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配工藝性檢查、提前消除可能存在裝配難點(diǎn)，如圖6所示。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往留給工藝設(shè)計(jì)的時(shí)間較為緊張，工藝師普遍期望能夠提前了解設(shè)計(jì)情況，以便有充足的工藝預(yù)研時(shí)間。

MBD建模需要設(shè)計(jì)師和工藝師共同完成，而不單單只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的任務(wù)，也需要考慮到操作工和檢驗(yàn)員的需求，由此創(chuàng)建的MBD模型可以指導(dǎo)產(chǎn)品制造和合規(guī)性測(cè)試。最終可以將模型整合入研究所的產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)之中，不僅為新產(chǎn)品的研發(fā)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，在機(jī)電集成系統(tǒng)的MBD模型中構(gòu)建二元系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)也是方便的，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程的知識(shí)積累，將其凝聚為企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。