直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸與軸套純過盈配合校核計(jì)算方法

劉友生 蔣雯雯

摘? ?要： 純過盈配合是直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸與軸套連接的一種常見形式，能夠滿足結(jié)構(gòu)耐振、耐不均勻沖擊和苛刻尺寸等要求，軸與軸套的配合公差是反映過盈量精準(zhǔn)度的關(guān)鍵。提出一種傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法與有限元仿真相結(jié)合的過盈配合校核計(jì)算思路：首先，計(jì)算軸與軸套配合面?zhèn)鬟f荷載所需的過盈量，初步確定軸與軸套的配合公差;其次，校核配合公差達(dá)到最大過盈量時(shí)，軸與軸套配合面是否產(chǎn)生塑性變形;最后，基于ANSYS Workbench，進(jìn)行有限元分析，在多種工況下對(duì)配合公差進(jìn)行校核計(jì)算，并根據(jù)總體變形和綜合應(yīng)力仿真結(jié)果對(duì)配合公差進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的首批樣機(jī)已經(jīng)通過型式試驗(yàn)，與純過盈配合相關(guān)的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，且裝機(jī)運(yùn)行后保持運(yùn)行狀態(tài)良好，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性、實(shí)用性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 純過盈配合;配合公差;塑性變形;結(jié)合應(yīng)力;型式試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH133.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 05-070-06

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.013

引言

電機(jī)軸與軸套連接通常采用過盈配合的方式傳遞扭矩，以滿足結(jié)構(gòu)耐振、耐不均勻沖擊、苛刻尺寸等要求。過盈配合的形式主要有兩種。一種是軸與軸套連接采用輕微的過盈配合，并施加平鍵;另外一種是軸與軸套連接采用純過盈配合。其中，在純過盈配合連接方式中，軸與軸套的配合公差尤為關(guān)鍵，需要設(shè)計(jì)者提供精確的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)槿绻S與軸套連接的過盈量（即配合公差）過小，軸與軸套承受扭矩時(shí)會(huì)發(fā)生打滑，甚至導(dǎo)致扭斷的后果;如果軸與軸套連接的過盈量太大，又會(huì)超出軸與軸套配合面所允許的最大有效過盈量，產(chǎn)生塑性變形，甚至導(dǎo)致軸套開裂、失效[1]。

目前，對(duì)于軸與軸套連接的過盈量，尚無明確的規(guī)范要求，也沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法。設(shè)計(jì)者通常采用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)過盈量進(jìn)行確定，即首先通過經(jīng)驗(yàn)公式求取所需的過盈量，再驗(yàn)算因過盈及離心力產(chǎn)生的應(yīng)力是否在材料許用應(yīng)力的限度內(nèi)，這種方法的可靠性有待商榷[1-2]。許多設(shè)計(jì)者為了確保軸與軸套連接能傳遞扭矩，軸與軸套間不發(fā)生打滑、竄動(dòng)[3]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加大了過盈量，顯然給軸與軸套連接帶來了又一隱患。

我公司有一款75 kW出口直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用純過盈配合。軸伸上的花鍵為內(nèi)花鍵，即軸伸為轂（軸套）。軸伸轂的內(nèi)花鍵與軸整體加工工藝好壞成為決定軸的加工成本能否控制在合理區(qū)間、軸的生產(chǎn)能否批量化、軸的性能能否滿足可靠性的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，首先加工軸伸轂的內(nèi)花鍵，然后將軸與軸套過盈配合的連接方式視作一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)和精加工，可以有效解決以上問題。此時(shí)，軸與軸套過盈配合的精準(zhǔn)校核更加關(guān)鍵。

本文以我公司這款直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸伸為研究對(duì)象，首先通過傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算軸與軸套配合面?zhèn)鬟f荷載所需的最小過盈量，初步確定軸與軸套的配合公差;然后進(jìn)一步校核配合公差達(dá)到最大過盈量時(shí)，軸與軸套配合面是否產(chǎn)生塑性變形;最后基于ANSYS Workbench，對(duì)軸與軸套的配合公差進(jìn)行仿真校核計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)配合公差進(jìn)行優(yōu)化，探討純過盈配合數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1? 基本參數(shù)

1.1? 電機(jī)基本參數(shù)

軸轉(zhuǎn)速n=62 r/min，電機(jī)額定功率Pn=75 kW。

軸材料為40Cr，屈服強(qiáng)度σsi=785 MPa，彈性模量Ei=210 GPa，泊松比0.3，彈性應(yīng)變?chǔ)臿=0.393%。

軸套材料為42CrMo，屈服強(qiáng)度σsa=930 MPa，彈性模量Ea=210 GPa，泊松比0.3，彈性應(yīng)變?chǔ)臿=0.465%。

剎車扭矩Tmax=21 360 N·m，軸向力Fa=56 000 N。

1.2? 軸伸結(jié)構(gòu)

軸與軸套過盈配合。軸與軸套結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖1所示。

軸與軸套配合面直徑df=120 mm，配合面長(zhǎng)度lf=125 mm，軸套外徑da=175 mm，軸表面光潔度Ra=1.6 μm，軸套內(nèi)表面光潔度Ra=3.2 μm。載荷全部由過盈配合傳遞，焊接作為輔助手段，提高安全系數(shù)。配合方式選擇軸與孔的配合。

2? 軸與軸套配合面配合公差尺寸確定

軸與軸套過盈配合，通過其過盈量產(chǎn)生的摩擦力承受電機(jī)電磁扭矩施加在配合面的載荷。忽略溫度變化的影響。

2.1? 摩擦轉(zhuǎn)矩

2.2? 經(jīng)法驗(yàn)軸與軸套的配合尺寸

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定軸外徑尺寸φ120 mm，軸套（轂）孔徑尺寸φ120 mm，配合面長(zhǎng)度lf=125 mm（考慮倒角及R角，取實(shí)際配合長(zhǎng)度）。

3? 軸與軸套配合公差確定及強(qiáng)度校核

3.1? 計(jì)算配合面?zhèn)鬟f扭矩和軸向力所需最小壓強(qiáng)

配合面?zhèn)鬟f扭矩和軸向推力所需最小壓強(qiáng)滿足

3.2? 計(jì)算傳遞荷載所需的最小過盈量及最小直徑變化量

3.2.1? 軸套傳遞荷載所需的最小直徑變化量

3.2.2? 軸傳遞荷載所需的最小直徑變化量

綜上，確定軸外徑尺寸mm，軸套與之配合內(nèi)徑尺寸mm是合適的。

4 基于ANSYS Workbench的仿真校核

4.1? 總體思路

首先，利用SolidWorks軟件創(chuàng)建軸與軸套裝配體簡(jiǎn)化三維模型，如圖2所示。然后，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，依次設(shè)置軸與軸套材料屬性（圖3），對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖4），最后加載載荷，實(shí)現(xiàn)靜力學(xué)仿真（圖5）。其中，軸材料設(shè)置為40Cr，軸套材料設(shè)置為42CrMo，網(wǎng)格劃分采取分別劃分的方式。

通過模型受力分析，軸與軸套過盈配合，構(gòu)成軸伸結(jié)構(gòu)，其配合面摩擦因數(shù)取0.15?？疾焖姆N受力情況，分別進(jìn)行載荷加載：

（1）軸伸不受轉(zhuǎn)矩影響時(shí)，考察軸與軸套分別在最小過盈量0.195 mm和最大過盈量0.250 mm情況下的受力情況;

（2）軸伸受最大轉(zhuǎn)矩2.31×107 N·mm時(shí)，考察軸與軸套分別在最小過盈量0.195 mm和最大過盈量0.250 mm情況下的受力情況。

4.2? 結(jié)果與討論

4.2.1? 仿真結(jié)果

（1）軸伸不受轉(zhuǎn)矩影響，最小過盈量為0.195 mm時(shí)，軸與軸套受力運(yùn)行，得到圖6所示的云圖。

（2）軸伸受最大轉(zhuǎn)矩，最小過盈量為0.195 mm時(shí)，軸與軸套受力運(yùn)行，得到圖7所示的云圖。

（3）軸伸不受轉(zhuǎn)矩影響，最大過盈量為0.250 mm時(shí)，軸與軸套受力運(yùn)行，得到圖8所示的云圖。

（4）軸伸受最大轉(zhuǎn)矩，最大過盈量為0.250 mm時(shí)，軸與軸套受力運(yùn)行，得到圖9所示的云圖。

4.2.2? 討論

分析圖6～9的軸伸云圖，將其結(jié)果匯總于表1。

根據(jù)總體變形和綜合應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在軸套內(nèi)孔配合面根部區(qū)域。由表1知，當(dāng)軸伸受最大轉(zhuǎn)矩，最大過盈量為0.250 mm時(shí)，軸與軸套受到的應(yīng)力最大，但滿足設(shè)計(jì)要求：最大綜合應(yīng)力為420.78 MPa，安全系數(shù)[n]取1.5～2.0，那么n=σs/σ=930/420.78=2.21>[n];綜合彈性應(yīng)變?chǔ)舖ax=0.221%，又因?yàn)檩S的彈性應(yīng)變?yōu)?.393%，軸套的彈性應(yīng)變?yōu)?.465%，因此εmax<ε（取軸與軸套彈性應(yīng)變孰小者）。軸伸的疲勞壽命Hf≥1×106 h，符合旋轉(zhuǎn)受力部件許用疲勞壽命要求。

綜上，校核計(jì)算得到的配合面公差尺寸符合設(shè)計(jì)要求，與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果一致。該型號(hào)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)首批樣機(jī)已通過型式試驗(yàn)，軸伸處順利通過堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，軸與軸套配合公差的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。目前，該電機(jī)已經(jīng)出口歐洲，安全運(yùn)行超過5年，運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)獲得業(yè)主好評(píng)。

5? 結(jié)論

（1）通過經(jīng)驗(yàn)法可以計(jì)算得到軸與軸套配合面?zhèn)鬟f荷載所需的最小過盈量，進(jìn)而初步確定軸與軸套的配合公差;

（2）基于ANSYS Workbench對(duì)軸與軸套的配合公差尺寸進(jìn)行仿真校核，仿真結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)果一致，能夠合理確定軸與軸套不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量;

（3）有限元仿真結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的方法可以有效求解軸與軸套過盈配合的校核計(jì)算問題，可以為軸與軸套的配合連接提供精準(zhǔn)、可靠的配合公差。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

劉友生（1981—），通信作者，男，本科，副主任工藝師，從事電機(jī)工藝工裝和電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

E-mail： lysh2006@163.com

（收稿日期：2020-06-23）