基于ANSYS有限元分析软件在轧钢电机换向器开发中的应用

　　1 前言

　　轧钢电机是永济电机厂新开发的一种全新结构新型直流电机，周期短、难度大。该电机工作条件恶劣，要求电机有较高的可靠性。特别是直流电机特有的换向问题，是影响电机可靠运行的主要因素之一，因此，实现换向的主要部件――换向器的质量就非常重要。

　　换向器在运行中要保证各零件应有足够的强度、刚度和良好的整体性能。由于结构比较复杂，传统设计机械计算都作了简化处理，安全系数一般取的较大，设计的结构偏于保守。本文采用有限元技术，对不同设计方案结构的应力及变形分布进行了模拟，为设计者确定合理的设计方案提供了理论依据。

　　2 分析方案与分析过程

　　由于换向器属多零件装配体，在运行中各个零件配合面又相互作用，边界条件复杂，传统线性静力分析已不能解决该问题，需用非线性接触技术进行分析。分析软件采用ANSYS5.7。

　　2.1 建立分析模型

　　换向片组由276片换向片和276片云母板间隔排列组成，在其两端装上云母环、套筒、压圈，再用螺栓紧固组装而成换向器。零件数量多，几何关系复杂，对于接触分析来说，零件数量越多，分析求解越困难。因此，必须对结构进行适当的简化处理。该结构在建模时特做如下假设：

　　(1) 对套筒、压圈结构来说重点考察V形槽部位的强度和刚度，因此可忽略螺栓孔以及通风孔的影响。

　　(2) 云母材料特性一般不很稳定，尤其是弹性模量，随着制造时所用的工艺参数而变化，在分析时假设材料呈线性特性。

　　(3) 螺栓的作用是提供轴向预紧力，该力可采用ANSYS预紧单元技术来处理，因此建模时可忽略螺栓结构。

　　根据上述假设，换向器可认为是以每个换向片和云母板为一组，沿换向器轴线的循环对称结构，同时由于载荷也对称，所以可创建对称的分析模型。分析时取一片云母板和与其相邻的换向片的二分之一的扇形结构建立模型。(如图1所示)

　　图1 换向器离散模型

　　2.1.1 单元选择及模型离散

　　对于换向器各零件，单元类型选8节点的六面体单元SOLID185，接触单元选面-面接触单元TARGE170和CONTA174，对于螺栓预紧力的模拟，ANSYS提供有螺栓预紧单元PRETS179可很好地模拟结构受螺栓预紧力时的状态，利用该技术建模时可忽略螺栓结构，直接在受预紧力的结构上创建预紧单元，并在主节点上施加预紧力即可完成对预紧螺栓的模拟。

　　在单元的划分方面，为了兼顾计算精度和计算速度，同时又要保证求解容易收敛，在换向片和压圈、套筒的受压面上，单元划分较细，其余部位单元划分适当即可。

　　离散后的模型共有4813单元， 5794节点，4个接触对，1个螺栓预紧单元。

　　2.1.2 材料属性

　　ANSYS软件提供丰富的材料模式可供选择，包括线性材料或非线性材料，各向同性、正交异性或非弹性，随温度变化或不随温度变化。换向器各个零件的材料属性见表1。

　　表1 材料属性

　　2.2 计算载荷工况

　　本次计算是为了考查换向器各零件的强度和刚度，计算载荷工况选换向器装配后超速时(1800r/min)工况。

　　2.3 约束条件及载荷

　　以换向器套筒底面和其轴线的交点为坐标原点建立直角坐标系，换向器轴向向上方向为Z轴正向，水平方向为X轴。对换向器来说，约束条件为：在套筒的内孔面约束其径向位移和轴向位移，在换向片对称面施加对称位移约束。

　　载荷施加：在高速旋转工况下载荷为紧固力和离心力。分析中采用了原结构的1/276对称模型，压力载荷的施加可利用螺栓预紧单元的载荷施加方法进行处理，预紧力为总压力的1/276。离心力的施加，在ANSYS中只要施加相应的角速度载荷，由离心力引起的应力程序会自动进行计算。

　　2.4 计算结果(初始方案)

　　利用ANSYS非线性接触分析功能对换向器多体装配结构进行分析计算，计算出了结构的应力和变形等。图2～图3为计算结果的等值线图。

　　(1) 应力结果：对于换向器套筒、压圈和换向片来说，最大应力点位于V形槽根部圆角处(图2)，其中套筒最大应力275.7MPa已超过材料许用应力224MPa，压圈、换向片最大应力相对也比较高。

　　图2 压圈、套筒、换向片应力，单位MPa

　　(2) 换向片挠度：在高速旋转时，换向片组工作面径向变形如图3a，从图中看出，在工作面ABCDE段，相对挠度(0.064297-0.016129)0.048168mm大于许用挠度0.04mm。

　　图3 换向片径向变形(放大100倍)，单位mm

　　2.5 改进分析

　　改进措施：将压圈、套筒V形槽根部的轴向厚度和圆角增大，以提高结构强度和刚度并降低圆角处应力集中。

　　方案改进前后计算结果见表2。

　　表2 方案改进前后计算结果对比

　　计算结果表明： 1、对压圈、套筒补强后结构的强度和刚度都大大提高，套筒最大应力小于许用应力。2、V形槽根部圆角处为应力集中点，增大该处尺寸，可有效地降低应力集中，提高结构的承载能力。3、不改变换向片结构，只提高压圈、套筒刚度可减小换向片动态相对挠度，改进后换向片组工作面ABCDE段动态挠度小于许用挠度。4、EF段相对挠度大于许用挠度0.04mm，考虑电枢前端(升高片处)帮扎无纬带束紧，动态变形受约束，挠度值会大大减小。

　　3 结论

　　利用ANSYS软件的非线性接触技术对换向器不同设计方案研究分析可得以下结论：

　　(1) ANSYS软件的非线性接触技术可模拟出换向器复杂装配结构的强度与刚度。

　　(2) 通过不同方案对比分析，改进后的结构强度、刚度满足设计要求，为最终确定合理的设计方案提供理论依据。

　　(3) 增大V形槽根部圆角尺寸，可有效地降低应力集中，提高结构的承载能力。

　　(4) 利用非线性接触技术还可以模拟过盈配合结构、压力加工成型工艺过程问题等，为拓宽我厂有限元技术分析领域打下基础。