轉子端板齒部故障分析及解決方案

郭 峰, 賀涌濤, 張海鳳

(湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引 言

交流變頻電機在各個行業(yè)有越來越廣泛的應用，但由于變頻電機的載荷較復雜，容易導致各種故障出現(xiàn)。本文中的交流變頻電機轉子在現(xiàn)場使用時多次發(fā)生端板斷齒現(xiàn)象，有的投入運行僅3個月就發(fā)生斷齒現(xiàn)象(見圖1)，影響了整個系統(tǒng)的安全運行。為了杜絕這一現(xiàn)象，本文從多方面查找故障原因，尋求解決問題的方法。轉子端板在電機轉子中主要起到壓緊轉子沖片，控制齒部彈開度[1]，使鐵心成為一體。轉子端板在工作時承受沖片壓緊的軸向力及自身旋轉產生的離心力，出現(xiàn)的斷齒問題需要解決。

圖1 端板斷齒圖片

1 故障分析方法

由于端板在正常工作情況下僅承受軸向力和自身的離心力，其齒根部應力為28.5MPa(見圖2)，遠遠低于材料的屈服強度，由此可以判斷，端板在實際工作中承受了除上述兩種載荷外的其他載荷。通過對端板材料硬度進行檢測、齒部進行金相分析，及極限載荷情況下結構的機械分析，找到了故障原因。

圖2 端板正常載荷時仿真分析結果

1.1 材料硬度分析

在齒牙截面金相試樣上沿試樣表面往基體逐點進行顯微維氏硬度的測試，硬度測試結果如圖3所示，硬度約100～110HV，屈服強度約為175MPa，材料的實測強度沒有達到Q235材料的要求。

圖3 失效件激光切割邊部-基體的硬度分布曲線

1.2 金相分析

端板為6mm厚的Q235板，齒部采用激光切割成形，通過齒部斷口[2]檢測發(fā)現(xiàn)，激光切割表層有大量蝕溝，并在少量蝕溝底部能觀察到微裂紋，其抗疲勞斷裂性能大大降低。如圖4、圖5所示。

斷口分析結果表明端板屬于疲勞斷裂失效[3]，疲勞裂紋起始于齒根部激光切割表面，裂紋從兩側齒根部垂直板厚方向相對擴展，最后斷于內部。屬于非對稱雙向彎曲疲勞斷裂(兩個方向彎曲應力不對稱)，終斷區(qū)為正常的韌窩斷口。因為各失效件起裂位置均為結構的應力集中位置，故斷裂主要是強度和應力因素決定的。由此看來，引起端板疲勞斷裂的應力主要為側向彎曲疲勞應力，說明使用過程中電機存在振動，振動產生的側向彎曲應力是導致端板疲勞斷裂的應力因素。

圖4 齒根部表面微裂紋的形貌

圖5 激光切割邊部組織形貌

材料金相組織和硬度測試結果表明，失效件材料組織與未使用的對照件組織不同，失效件碳含量和硬度均明顯低于對照件，晶粒尺寸明顯大于對照件，特別是對照件激光切割表面有一層厚度約0.2mm的馬氏體硬化層，失效件沒有硬化層。材料強度較低和表面沒有硬化層，均是導致材料的抗疲勞斷裂能力下降的重要因素。

在失效件激光切割表面觀察到有較明顯的晶間蝕痕，局部觀察到有微裂紋，晶間蝕痕和微裂紋(特別是微裂紋)會大大增加局部的應力集中，降低材料的疲勞抗力，是端板發(fā)生疲勞斷裂的重要因素。

1.3 仿真分析

在實際裝配過程中，由于累積誤差，使得本來不承受轉子導條離心力的端板齒部承受了轉子導條的離心力，即圖6情況。通過ANSYS軟件對該種極限情況進行仿真分析[4]，其中轉子導條與端板齒部一側存在接觸，在離心力載荷作用下，承受轉子導條離心力的端板齒部應力為474MPa(見圖7)，遠遠超過材料的屈服極限。若存在初始裂紋缺陷，則很容易造成裂紋擴展，發(fā)生疲勞斷裂。

圖6 極限尺寸分析模型

圖7 極限情況下齒部應力云圖

從ANSYS受力分析結果看，端板齒部在電機運行中承受了導條的部分離心力，在高應力區(qū)裂紋開始擴展，最終導致斷齒現(xiàn)象。

2 優(yōu)化方法

通過上述幾個方面的分析，可以得出導致端板齒部斷裂的原因有以下三個方面： 一是材料本身強度的降低；二是齒部采用激光成形時對齒部

造成的初始缺陷；三是端板在運行時承受了額外的附加載荷。針對這幾個原因，采取了如下措施解決端板斷齒問題：

(1) 將端板的材料由普通的碳素鋼改為優(yōu)質碳素結構鋼，提高了材料的強度，從而提高材料的疲勞強度；

(2) 改變了端板齒部的加工方式，避免了初始缺陷的形成，由原來的激光成形改為沖壓成形；

(3) 為了避免端板齒部在運行過程中承受額外的離心載荷，將齒寬的尺寸公差適當放大，避免了導條與齒部的接觸，則齒部在運行時僅承受自身的離心力，其應力水平較低，強度滿足要求。

通過幾個方面的優(yōu)化改進，改進后的產品已投入運行5年沒有發(fā)生斷齒現(xiàn)象，徹底解決了端板的斷齒問題。該種優(yōu)化方案目前在產品上得到大量的應用，效果很好。

3 結 語

針對轉子端板斷齒這一現(xiàn)象，通過仿真分析及實物檢測分析等手段，確定了斷齒的原因為疲勞斷裂，主要原因是齒根部存在初始缺陷及運行時產生附加載荷。通過反復的分析及計算，確定了優(yōu)化方案，通過對齒寬公差尺寸的適當放大及齒部成形方法的改變，并將材料改成優(yōu)質碳素結構鋼，減少材料本身的缺陷，最終徹底解決了端板斷齒問題。目前，這一優(yōu)化方案在產品上應用情況良好，電機運行5年無一臺斷齒現(xiàn)象發(fā)生。

【參考文獻】

[1] 陳吳榮,王岳.高壓電機定轉子端板沖制工藝及其模具的改進[J].電機技術,2008(5)： 56-57.

[2] 朱智陽,董慶慶.減速箱齒輪軸斷齒失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2011(47)： 175-177.

[3] 陳君才.金屬構件失效分析[M].成都： 成都科技大學出版社,1987.

[4] 洪慶章,劉清吉,郭嘉源.ANSYS教學范例[M].北京： 中國鐵道出版社,2002.