大功率電機(jī)端蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元仿真

謝強(qiáng)強(qiáng)

(萬(wàn)高(南通)電機(jī)制造有限公司,江蘇南通 226010)

0 引言

由于高壓大型電機(jī)功率大,應(yīng)用場(chǎng)合的負(fù)載比較大,有些應(yīng)用還有額外負(fù)載,因此這類(lèi)電機(jī)端蓋體積、重量較大,需要更穩(wěn)定的裝夾來(lái)滿(mǎn)足其加工要求。鑄件端蓋在加工過(guò)程中需要考慮夾裝力產(chǎn)生的應(yīng)力變形影響,裝夾中應(yīng)力變形過(guò)大會(huì)導(dǎo)致端蓋加工后部分區(qū)域回彈,最終導(dǎo)致端蓋與機(jī)座配對(duì)止口的尺寸加工精度無(wú)法滿(mǎn)足要求。很多電機(jī)有大振動(dòng)、高噪音問(wèn)題,嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元仿真

1.1 初步解決問(wèn)題

針對(duì)端蓋加工變形問(wèn)題,我們嘗試了很多解決方法。例如調(diào)整數(shù)控車(chē)床夾緊力、減少立車(chē)時(shí)刀具進(jìn)給量、增加一道精車(chē)工序等。首先對(duì)于調(diào)整夾緊力的方法,該辦法容易導(dǎo)致因夾緊力不足,而產(chǎn)生加工過(guò)程中端蓋移動(dòng)的問(wèn)題,從而使得端蓋難以滿(mǎn)足加工尺寸要求。此外夾緊力過(guò)小還容易發(fā)生安全事故,故難以執(zhí)行。其次關(guān)于采用增加精車(chē)工序的方法,只能一定程度上減少變形回彈的影響,無(wú)法從根源上解決問(wèn)題,且增加了加工成本。針對(duì)以上情況,我們決定對(duì)該端蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元仿真。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了增加電機(jī)端蓋的強(qiáng)度可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

(1)選用更高強(qiáng)度的材料,目前端蓋采用的是灰鑄鐵FC-200材料,若是考慮換成球墨鑄鐵或者其他更好材料,將導(dǎo)致電機(jī)成本增加,產(chǎn)品失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(2)增加零件的截面面積,以增加其截面慣性矩來(lái)提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,該種方法比較傳統(tǒng),且需要更多的材料,從而側(cè)面增加加工成本。

(3)在精加工前采用合理的熱處理或化學(xué)處理,以提高材料的力學(xué)性能,消除殘余應(yīng)力并改善金屬切削加工性能,類(lèi)似第二種建議,該方法也需要大幅增加加工成本。

(4)采用合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),在不進(jìn)行大方向更改前提下,進(jìn)行局部調(diào)整,例如采用增加加強(qiáng)筋方法以增加零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,該方法的缺點(diǎn)是需要進(jìn)行嚴(yán)格的模擬分析,并需要調(diào)整模具設(shè)計(jì)。

圖1考慮到目前端蓋采用的是外凸面模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在端蓋的內(nèi)側(cè)面缺乏加強(qiáng)筋,且端蓋頂部測(cè)振搭子在正中間,在加工過(guò)程中,難以使用目前標(biāo)準(zhǔn)撐板進(jìn)行定位。根據(jù)上述情況,決定采用最后一種方法,對(duì)目前鑄件端蓋進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 目前鑄件端蓋設(shè)計(jì)

1.3 重新建模

考慮到目前端蓋的設(shè)計(jì)特點(diǎn),測(cè)振搭子位于端蓋頂部的中間位置。而一般標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)端蓋采用120°均布的三爪卡盤(pán)夾裝,端蓋無(wú)法按照正常位置進(jìn)行夾緊,加工時(shí)需要偏置一定的角度,不利于實(shí)際生產(chǎn)需求。為了解決目前存在的問(wèn)題,根據(jù)圖2端蓋加工定位要求,取消之前中間測(cè)振搭子,并增加左右兩側(cè)搭子,這樣使得端蓋夾裝時(shí)定位更加平穩(wěn),并從一定程度上增加其頂部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其次增加內(nèi)側(cè)面三根加強(qiáng)筋(厚15mm高66mm)及兩根貫穿筋(厚40mm高18mm),此外考慮到軸承承載力主要分布于軸承室的周?chē)?在相應(yīng)的關(guān)鍵位置增加一定數(shù)量均布短筋,以實(shí)現(xiàn)端蓋關(guān)鍵部位強(qiáng)度加強(qiáng)效果。

圖2 鑄件端蓋的優(yōu)化

1.4 分析對(duì)比

圖3此處我們采用靜力學(xué)分析模塊,將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的三維端蓋導(dǎo)入Ansys分析軟件。為了更好驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性,首先對(duì)端蓋及裝夾材料屬性進(jìn)行定義,設(shè)定各部件的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù);進(jìn)行分析網(wǎng)格的劃分,劃分網(wǎng)格要綜合考慮網(wǎng)格密度和計(jì)算成本之間的關(guān)系,在可靠的計(jì)算精度內(nèi),該項(xiàng)目考慮的是常規(guī)四面體網(wǎng)格。其次定義端蓋加工實(shí)際工位及受力,采用三爪卡盤(pán)水平工位夾緊,根據(jù)加工設(shè)備的實(shí)際加工能力及端蓋加工時(shí)受切削力、離心力、慣性力、工件自重等作用要求,夾緊端蓋上預(yù)留夾裝處的受力為5727.9N。這里需要考慮整個(gè)端蓋及端蓋止口加工面的應(yīng)力變形,為此對(duì)端蓋止口加工面進(jìn)行了定義,分別設(shè)定兩種輸出結(jié)果。

圖3 鑄件端蓋夾緊力設(shè)置

圖4根據(jù)優(yōu)化前后分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),優(yōu)化前最大應(yīng)變?yōu)?.299mm,最大應(yīng)變主要位于端蓋軸承室處,該處屬于電機(jī)轉(zhuǎn)子支承的關(guān)鍵部位;優(yōu)化后最大應(yīng)變?yōu)?.053mm,最大應(yīng)變位于端蓋邊緣的非關(guān)鍵部位。優(yōu)化后最大應(yīng)變量?jī)H為優(yōu)化前的18%,通過(guò)理論分析,該優(yōu)化作用比較明顯。

圖4 鑄件端蓋優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比

圖5根據(jù)電機(jī)端蓋加工止口處應(yīng)變對(duì)比發(fā)現(xiàn),優(yōu)化前最大應(yīng)變?yōu)?.25mm,位于端蓋的頂部且面積較大;優(yōu)化后最大應(yīng)變僅為0.05mm,位于端蓋底部,面積比較小。優(yōu)化后端蓋加工止口應(yīng)變僅為優(yōu)化前的20%,該優(yōu)化作用非常顯著。

圖5 鑄件端蓋加工止口面優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)優(yōu)化分析可以看到,最大應(yīng)力值及應(yīng)力區(qū)域都有明顯減小,說(shuō)明通過(guò)改變端蓋外側(cè)面頂部結(jié)構(gòu)、端蓋內(nèi)側(cè)面增加加強(qiáng)筋等措施能有效減小最大應(yīng)變值,并改善最大應(yīng)變分布的區(qū)域及面積。

2 試制實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的可靠性,對(duì)優(yōu)化前后的鑄件端蓋進(jìn)行了實(shí)際加工和測(cè)量,通過(guò)表1優(yōu)化前后端蓋加工面跳動(dòng)值測(cè)量對(duì)比發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后端蓋跳動(dòng)僅為優(yōu)化前的十分之一左右。此外如圖6和表2所示,考慮到端蓋的加工精度可以通過(guò)試制樣品樣機(jī)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果來(lái)側(cè)面反應(yīng)優(yōu)化的效果,優(yōu)化端蓋電機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果顯示,最大振動(dòng)為1.3mm/s rms,高于客戶(hù)的要求。綜上所述,此優(yōu)化方案是有效的。

表1 鑄件端蓋加工面跳動(dòng)測(cè)量

表2 優(yōu)化后剛性安裝樣機(jī)的熱態(tài)振動(dòng)測(cè)試(要求B等級(jí):1.4mm/s)

圖6 樣機(jī)及振動(dòng)測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元仿真、測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比,確定將鑄件端蓋進(jìn)行優(yōu)化,更改鑄件模具。雖然更改模具會(huì)增加一些成本,但是優(yōu)化后的鑄件端蓋能在相同加工情況下產(chǎn)生更小的應(yīng)變,也能有效減小高壓大功率電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),相比客戶(hù)投訴的經(jīng)濟(jì)損失,更改模具的成本幾乎可以忽略。