大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)械強(qiáng)度計算-圖文

２００５．Ｎｏ．１大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)械強(qiáng)度計算大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)械強(qiáng)度計算陳明鏡謝寶昌上海交通大學(xué)摘要：針對大直徑高轉(zhuǎn)矩電機(jī)制造難度大且造價高的問題，本文介紹了用于鋼鐵廠軋機(jī)的大型電機(jī)空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)械強(qiáng)度計算。與同功率實(shí)心軸轉(zhuǎn)子相比較，結(jié)果顯示空心軸具有明顯的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：電機(jī)大型空心軸機(jī)械強(qiáng)度計算結(jié)構(gòu)設(shè)計１．前言隨著電機(jī)的單機(jī)容量及整機(jī)尺寸越來越大，但受電機(jī)制造工藝及裝備的影響，較多地采用雙電樞或雙電機(jī)串聯(lián)傳動方式。這種結(jié)構(gòu)方式由于存在電磁及負(fù)荷不平衡乃至不同步，且聯(lián)接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸系較長、占地面積大、使用維護(hù)工作量增加，因而總體投資及后續(xù)費(fèi)用與單電機(jī)相比也不經(jīng)濟(jì)合理。因此迫切需要直接傳動的低速大直徑、短鐵心結(jié)構(gòu)電動機(jī)，避免大直徑高速電機(jī)加齒輪箱減速的方案，以減少電機(jī)的傳動損耗和占地面積，還可以減少整個設(shè)備的成本和維護(hù)費(fèi)用，提高運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。對大直徑、大轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)來說，電機(jī)制造難度、造價的增加主要還在于轉(zhuǎn)子軸及轉(zhuǎn)子支架。因?yàn)檗D(zhuǎn)軸要鍛造、軸徑要粗，還要有充分的冷卻，轉(zhuǎn)子鐵心壓裝要求高，加工困難。因此如何改進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，特別是改進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸的結(jié)構(gòu)已成為電機(jī)行業(yè)的一大課題。上海電機(jī)廠于二十世紀(jì)六十年代末就對轉(zhuǎn)子空心軸的結(jié)構(gòu)在大型直流電機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行攻關(guān)研究，最近為國內(nèi)鋼鐵廠熱軋工程軋機(jī)生產(chǎn)的大型直流電機(jī)（ＺＤ３１５／１３４，４１００ｋＷ）上采用了國內(nèi)外罕見的空心軸結(jié)構(gòu)，獲得了較為良好的制造和使用效果。本文就此結(jié)合直流電機(jī)空心軸轉(zhuǎn)子制造實(shí)例對空心軸結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計計算進(jìn)行探討。２．電機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)為了便于比較給出了兩種型號大型直流電機(jī)ＺＤ３１５／１３４和ＺＤ３１５／１４２的基本技術(shù)參數(shù)，其中括號中的數(shù)據(jù)為型號ＺＤ３１５／１４２的參數(shù)；轉(zhuǎn)子軸空心軸（實(shí)心軸）結(jié)構(gòu)（如圖１和２所示），額定功率４１００ｋｗ（５７５０ｋＷ），額定電壓７５０Ｖ（１０００Ｖ）；基速４０ｒ／ｍｉｎ，基速及以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)壓調(diào)速，２．５倍額定電流過載，２．７５倍額定電流切斷；高速８０ｒ／ｍｉｎ，基速至高速恒功率弱磁調(diào)速，１．８倍額定電流過載，２倍額定電流切斷；他勵３００Ｖ（１００Ｖ），絕緣等級為Ｆ級絕緣和Ｂ級溫升考核，ｓ１工作制連續(xù)運(yùn)行；總重量１３３３００ｋｇ（２１１０００ｋｇ），轉(zhuǎn)子單件重量６１２２０ｋｇ（８９６００ｋｇ），轉(zhuǎn)子直徑口３１５０ｍｍ，轉(zhuǎn)子鐵心長度１３４０ｍｍ（１４２０ｍｍ），轉(zhuǎn)子總長度６７８５ｍｍ（７４００ｍｍ）。中空軸部分圖１電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的空心軸結(jié)構(gòu)圖２電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的實(shí)心軸結(jié)構(gòu)由上述數(shù)據(jù)可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑相同，總長及鐵心本體長度相差不大（約６％），轉(zhuǎn)子單件重相差２８３８０ｋｇ，空心軸與實(shí)心軸相比輕達(dá)３１．７％，因此采用空心軸結(jié)構(gòu)即使不計其性能改善，僅節(jié)約材料及－－－——９?－－——萬方數(shù)據(jù)上海大中型電機(jī)軸承承重性能改善也是很顯著的。３．空心軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子制造特點(diǎn)轉(zhuǎn)子空心軸結(jié)構(gòu)大致可分為二種：一是空心軸中間圓筒制成后，兩端配法蘭連接，然后用螺栓和圓柱銷將兩端實(shí)心軸配合緊固成一體，國外也有采用螺栓和圓柱銷合二為一的錐形超級把合螺栓緊固的，這種空心軸結(jié)構(gòu)簡稱為“組合式空心軸”（見圖３和４）。圖３組合式空心軸圖４螺栓、銷釘連接另一種轉(zhuǎn)子空心軸結(jié)構(gòu)是將空心軸的中間空心圓筒制成后直接和兩端實(shí)心軸相焊接，這種空心軸結(jié)構(gòu)稱為“全焊接空心軸”。這種結(jié)構(gòu)與組合式空心軸相比，結(jié)構(gòu)較為簡單，其中間空心軸部分其實(shí)就是一個空心薄壁圓筒，設(shè)計時只須在兩側(cè)加工好焊接用的坡口即可，但對焊接的技術(shù)要求很高?，F(xiàn)代大型電機(jī)的制造均要求轉(zhuǎn)子采用絕緣性能優(yōu)越、能提高絕緣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度、減小吊裝、浸漆噸位及尺寸的真空壓力整體浸漆工藝。上海電機(jī)廠擁有目前亞洲最大的０４８００ｍｍ真空壓力整體浸漆罐，但該罐及其附屬設(shè)備也只能浸漆５０噸以下，單體總長不超過５２００ｍｍ的電機(jī)轉(zhuǎn)子。而ＺＤ３１５／１３４４１００ｋＷ電機(jī)若設(shè)計采用實(shí)心軸的話，其轉(zhuǎn)子總重量將達(dá)８０噸，總長為６７８５ｒｒａｎ，為此只能采用空心軸結(jié)構(gòu)。全焊接空心軸因?yàn)樵诮崆熬鸵褜啥说膬啥螌?shí)心軸部分聯(lián)接在一起，因此加大了轉(zhuǎn)子浸漆的噸位及整體長一１０一度，該電機(jī)的制造只能采用組合式空心軸結(jié)構(gòu)。組合式空心軸選用材料方便，容易找到兩種焊接性能差別不大的材料來做空－１、５＇軸圓筒和空心軸法蘭盤，且焊接時占地空間、面積小，對設(shè)備的要求不是很高。但是組合式空心軸結(jié)構(gòu)要比全焊接空心軸結(jié)構(gòu)多一次兩側(cè)實(shí)心軸的裝、拆軸工藝。這種結(jié)構(gòu)必須要有大量的高強(qiáng)度螺栓、圓柱銷等配合連接零件，且金加工工序多、周期長、精度高、技術(shù)難度大，同時要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)子軸系加工、連接及裝配產(chǎn)生的誤差?？招妮S的中間部分圓筒加工由于大型滾圓機(jī)的應(yīng)用變得非常簡單，且只須根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)制造工藝的要求，選用一定厚度、規(guī)格、品種的厚鋼板滾圓成一定的直徑并焊接拼縫即可。這種結(jié)構(gòu)的空心軸，與同直徑的實(shí)心軸相比，飛輪轉(zhuǎn)矩小，結(jié)構(gòu)牢固和強(qiáng)度好，承受重負(fù)荷能力強(qiáng)。根據(jù)ＺＤ３１５／１３４，４１００ｋＷ，４０／８０ｒ／ｍｉｎ電機(jī)的實(shí)際工況，最終確定電機(jī)空心軸的本體是由三段兩種不同材料組成，其中中間圓筒部分由９０ｍｍ厚的Ｑ２３５一Ａ普通厚鋼板滾圓成內(nèi)徑為巧１７４０ｍｍ的圓筒。要求滾圓后圓度控制在２ｍｍ左右，否則將會影響到轉(zhuǎn)子的動、靜平衡校正及圓筒上的焊接和加工。而與空心軸圓筒相配的兩端法蘭材料則采用１６Ｍｎ優(yōu)質(zhì)合金鍛鋼。這種材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)及回火處理，機(jī)械強(qiáng)度高，焊接性能好，便于與圓筒部分的焊接。以上三段材料分別經(jīng)過端部坡口、定位止口加工后，采用自動埋弧焊的工藝焊接，焊接時的工藝流程同全焊接空心軸相類似。但由于兩端法蘭是平底圓盤結(jié)構(gòu)且軸向尺寸較短，因此其對加熱、旋轉(zhuǎn)等所需設(shè)備要求相對較低，但焊接時同樣要求保持工件加熱、旋轉(zhuǎn)。焊接結(jié)束后，還須經(jīng)多次焊縫探傷檢查，證實(shí)焊接良好，無砂孔、夾雜或虛焊。由于空心軸結(jié)構(gòu)是一種大直徑的薄殼圓筒結(jié)構(gòu)，因此它與轉(zhuǎn)子支架的配合就不宜采用熱套過盈配合的結(jié)構(gòu)。根據(jù)轉(zhuǎn)子支架上需疊壓的轉(zhuǎn)子扇形沖片的結(jié)構(gòu)，采用了在空心軸圓筒上焊接１５件“板凳”式支架筋的方式。且這些“板凳”式支架筋均是預(yù)先采用自動埋弧焊的方式焊接成形后再采用自動埋弧焊焊接到空心軸圓筒本體上去的（見圖５和６）。１５件“板凳”式支架筋之間焊接有立筋，且在換向器端一側(cè)焊接有一塊整圓幅板，以使１５根支架筋相互連萬方數(shù)據(jù)２００５．Ｎｏ．１大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)械強(qiáng)度計算成一體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。幅板的結(jié)構(gòu)設(shè)計又起到根據(jù)電機(jī)總體設(shè)計需要在電機(jī)支架間擋風(fēng)及調(diào)配風(fēng)量、調(diào)節(jié)風(fēng)路的作用。架筋圖６Ｊ卜Ａ剖面圖４．空心軸的機(jī)械強(qiáng)度計算電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣不僅體現(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)美觀、工藝流程合理、電磁數(shù)據(jù)正確配置，而且通過分析主要部件的受力情況和強(qiáng)度計算進(jìn)行科學(xué)地定型和選材。下面對電機(jī)空心軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計算。１．空心軸圓筒的受力計算根據(jù)圖５和６電機(jī)的空心軸結(jié)構(gòu)，且空心軸圓筒的兩側(cè)均焊接有兩段法蘭圓筒，因此該空心軸圓筒的受力狀況可看作是一個圓環(huán)受對稱集中扭矩的作用，見圖７和８。圖７電機(jī)轉(zhuǎn)子的力矩圖摻嗚畫圖８空心軸圓筒的受力示意圖表１給出了機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計計算結(jié)果。從表中不難發(fā)現(xiàn)，對于同一材質(zhì)的軸而言，斷面系數(shù)可說明同樣外形尺寸的電機(jī)，若設(shè)計成空心軸結(jié)構(gòu)可用于傳遞２～４倍或更大的力矩?；驌Q句話來說，空心軸材料選用的強(qiáng)度可大大低于實(shí)心軸材料。在某些特殊場合，電機(jī)實(shí)心軸通常須采用合金鋼鍛造，而空心軸則選用普遍鋼板制作，可降低成本。表１ＺＤ３１５／１３４、４１００ｋＷ電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計算參數(shù)及結(jié)果比較項目空心軸實(shí)心軸項目空心軸實(shí)心軸電樞總重量６１２２０ｋｇ７０７２０ｋｇ空心軸內(nèi)徑１７４ｅｍ０ｃｍ電樞重量４０４３０ｋｇ（不包括兩端實(shí)心軸及換向器）單邊磁拉力１４４００ｋｇ（考慮最大偏心６％）換向器重量４１００ｋｇ軸中心點(diǎn)撓度０．０１０４ｃｍ０．０４０９ＣｔｑＯ．軸體重量２７２８０ｋｇ轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速３３１０ｒ／ｒａｉｎ１５１３ｒ／ｍｉｎ非傳動端３８８ｋＮ有效鐵心長度１１７ｅｒａ１１７ｅｒａ軸承支撐力傳動端３５３ｋＮ空心圓筒長度１７３ｃｍ總集中扭矩２９４０ｋＮｍ非傳動端５５１ｋＮｍ主極氣隙長度０．７ｅｒａ結(jié)合處彎矩傳動端５１７ｋＮｍ氣隙磁通密度１．０３１７丁斷面系數(shù)０．１９９ｍ３０．０９８２ｍ３轉(zhuǎn)子外徑３１５ｅｍ圓筒扭矩４６１ｋＮｍ電機(jī)額定基速４０ｒ／ｍｉｎ圓筒彎矩９８ｋＮｍ電機(jī)額定高速８０ｒ／ｍｉｎ合成應(yīng)力１１５５０ｋＮ／ｍ２轉(zhuǎn)軸外徑１９０ｅｍ１００ｃｍ扭轉(zhuǎn)角３．４１ｅ一３度萬方數(shù)據(jù)上海大中型電機(jī)從轉(zhuǎn)子總的撓度對比結(jié)果看，空心軸結(jié)構(gòu)整個軸總的撓度只有０．１０４ｍｍ，僅占主極氣隙長度的１．４９％，幾乎可以忽略不計。實(shí)心軸由于電樞重量太重，導(dǎo)致軸的撓度０．４０９ｍｍ已接近或達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)所容許的最高限度６％，在實(shí)際操作中已無法很好的加以控制。從臨界轉(zhuǎn)速來看，空心軸的臨界轉(zhuǎn)速是實(shí)心軸的一倍多，更能適用于很高的轉(zhuǎn)速。若不考慮電機(jī)所用的換向器、換向火花的話，則空心軸轉(zhuǎn)子所能應(yīng)用的轉(zhuǎn)速范圍是極廣的。隨著電機(jī)容量的放大，交一交變頻同步電機(jī)或異步電機(jī)取代大直流電機(jī)，空心軸結(jié)構(gòu)也能在交流電機(jī)中應(yīng)用。由于交流電機(jī)沒有換向器，因此更適合于采用空心軸的結(jié)構(gòu)。在最大偏心氣隙６％的假設(shè)下，單邊磁拉力相同，空心軸轉(zhuǎn)子完全能滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求，而且無論從斷面系數(shù)、總撓度和臨界轉(zhuǎn)速還是節(jié)省材料來看空心軸比實(shí)心軸結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)越陛。２螺釘及銷釘?shù)氖芰τ嬎愀鶕?jù)空心軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對全焊接空心軸來說，主要計算空心軸與兩端實(shí)心軸的焊接工藝和強(qiáng)度計算，而對組合式空心軸而言，除了空心軸的中間圓筒與法蘭盤焊接外，還要考慮螺釘、銷釘連接的強(qiáng)度問題。若螺釘、銷釘?shù)膹?qiáng)度不夠，就可能會產(chǎn)生螺釘、銷釘破碎飛出并落入電機(jī)內(nèi)部。由于電機(jī)內(nèi)部均是帶電絕緣繞組或裸落銅排，金屬雜物的進(jìn)入極易導(dǎo)致繞組的短路乃至放炮燒毀。根據(jù)圖４只要計算螺釘承受彎矩和圓柱銷釘承受的剪切應(yīng)力。考慮到設(shè)計制造時兩端實(shí)心軸與空心軸法蘭盤配合面直徑ｅｌｌ５０處有１２ｍｍ的止口。進(jìn)行整體設(shè)計布置時，在直徑０１２５０ｍｍ的圓周上，每個結(jié)合面處各均勻分布有３５＃鋼制成的２４只Ｍ３６×１６０鍍鋅鋼六角螺栓。通常圓柱銷釘都是采用軸向打人且所受的剪切力全部落在圓形截面上。由于電機(jī)所傳遞的較矩較大，因此所用銷釘?shù)闹睆揭草^大。若用這種軸向打人的銷子，由于已有２４只Ｍ３６的螺釘圓周布置，再分布銷釘空間就顯得較為緊張。為此采用直徑小、長度長且縱向矩形截面受力的圓柱銷釘，在空心軸法蘭與實(shí)心軸結(jié)合面處徑向打人圓柱銷釘。根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果傳動端側(cè)共有２４只Ｍ５×１００的圓柱銷釘，非傳動端側(cè)共有８只Ｍ５×１００的圓柱銷釘。５結(jié)論本文介紹了用于大直徑轉(zhuǎn)子電機(jī)的空心軸結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計算。大型直流電機(jī)的傳動軸采用空心軸結(jié)構(gòu)，不僅機(jī)械強(qiáng)度好，結(jié)構(gòu)剛度高，而且重量輕，實(shí)心軸分段鍛造成本低，比整體實(shí)心軸結(jié)構(gòu)更有優(yōu)越性。眾所周知，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是凸極式結(jié)構(gòu)，空心軸結(jié)構(gòu)直徑大，適于人進(jìn)入空腔內(nèi)操作緊固同步電機(jī)磁極螺釘，因此同步電機(jī)更加適合于空心軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。以合作制造的交流３３００Ｖ，額定功率７５００ｋＷ，轉(zhuǎn)速４０～８０ｒ／ｍｉｎ，ＳＦＳ—ＥＣ７５００—１６交直交同步調(diào)速電機(jī)為例，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑盡管只有諺３０３０ｍｍ，但組合式空心軸結(jié)構(gòu)的空心軸圓筒內(nèi)徑尺寸卻達(dá)到０２１９０ｍｍ，電機(jī)總重達(dá)２４０噸。據(jù)測算，若該電機(jī)設(shè)計采用實(shí)心軸結(jié)構(gòu)的話，電機(jī)總重量要達(dá)到２９９噸，比空心軸電機(jī)重２５％。與直流電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑?。保担埃恚?，空心軸圓筒內(nèi)徑巧１７４０ｍｍ相比顯得更為優(yōu)越。因此，隨著電機(jī)技術(shù)及電機(jī)傳動控制技術(shù)的發(fā)展，交流和直流電機(jī)單機(jī)容量和轉(zhuǎn)子尺寸不斷增大，空心軸結(jié)構(gòu)必將會得到更加廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)［１］陳明鏡．空心軸結(jié)構(gòu)在大型直流電機(jī)中的應(yīng)用．上電科技情報，１９９９，（３）［２］陳明鏡．（１９６３），男，上海交通大學(xué)碩士研究生，主要研究直流電機(jī)結(jié)構(gòu)．運(yùn)行控制和制造工藝等?信息點(diǎn)滴?德２００４年新裝太陽能發(fā)電設(shè)備容量世界第一據(jù)德國太陽能業(yè)聯(lián)合會公布的最新數(shù)據(jù)，德國２００４年新裝置的太陽能發(fā)電設(shè)備容量首次超過日本，居世界第一位。去年，德國共裝配１０萬臺新的太陽能設(shè)備，合一１２一計容量３００億瓦，高于日本的２８０億瓦和美國的９０億瓦。德國去年太陽能業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)到２０億歐元，比前年增長６０％。該聯(lián)合會主席預(yù)測，從長期看，全球市場的太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過１０