秦 媛
(貴州航天林泉電機有限公司,貴陽550081)
常規(guī)轉(zhuǎn)子護套材料有不銹鋼1Cr18Ni9Ti、C660和 GH4169[1-3]。 本 文 首 先 通 過 對 1Cr18Ni9Ti、GH4169兩種材料進行理論計算和有限元分析,得到這兩種材料在高溫下變形量的理論值。其次,將1Cr18Ni9Ti、C660和GH4169三種材料與轉(zhuǎn)子組件在不同過盈量配合下進行壓裝試驗,測試不同壓裝力對壓裝后護套外圓變形量的影響 (即不同點圓周跳動)。以此作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),再將壓裝后的轉(zhuǎn)子經(jīng)過150℃高溫處理,復(fù)測其護套外圓變形情況 (即不同點圓周跳動)數(shù)據(jù)。
將理論計算結(jié)果與實際壓裝測量結(jié)果進行對比,找到不同材料的護套在受到不同程度外力作用下,經(jīng)過150℃高溫后,其產(chǎn)生的變形量是否超過0.01mm,以此找到使護套變形的臨界點。
轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時受到較強的離心力,由于護套與永磁體之間為過盈配合,護套內(nèi)表面受到壓力,永磁體將受到護套內(nèi)表面的壓力以及轉(zhuǎn)子軛外表面壓力,其受力示意圖如圖1所示。
圖1 轉(zhuǎn)子護套與磁鋼受力示意圖
其中,a表示永磁體內(nèi)半徑;b為護套和永磁體間的配合半徑;c為護套外半徑;r為永磁體外徑;p1永磁體受護套擠壓后的反作用力;p2為護套與永磁體過盈配合面處產(chǎn)生的靜壓力。
表1和2分別列出了不銹鋼1Cr18Ni9Ti和高溫合金GH4169兩種材料的組成成分及參數(shù)[4]。
表1 1Cr18Ni9Ti材料參數(shù)
表2 合金GH4169參數(shù)
由于轉(zhuǎn)子護套和永磁體均為環(huán)形結(jié)構(gòu),不考慮護套和永磁體結(jié)構(gòu)的軸向變形量,可利用彈性力學(xué)上厚壁圓筒理論分析,將二者簡化為兩個過盈配合的厚壁圓柱套筒。假設(shè)護套、永磁體皆受均勻內(nèi)壓作用,即在圖1中,p1=p2=ps,可得永磁體所受的徑向力與切向應(yīng)力大小為[2,5-6]:
式中,r為永磁體外徑,且a≤r≤b。
轉(zhuǎn)子護套所受徑向力與切向應(yīng)力大小為:
式中,r為護套內(nèi)徑(大小與永磁體外徑相同),且b≤ r≤ c。
在壓力ps下,轉(zhuǎn)子護套與永磁體之間的過盈量us為[6]:
式中,μm、μe分別為永磁體和轉(zhuǎn)子護套的泊松比;Em、Ee分別為永磁體和轉(zhuǎn)子護套的彈性模量。
計算時,針對同一轉(zhuǎn)子,永磁體使用材料相同,取不同轉(zhuǎn)子護套。假設(shè)壓裝后要求靜態(tài)過盈量均為uσ,則根據(jù)式 (3)可得裝配后不同護套所受的壓力。為方便計算,永磁體的各參數(shù)取值單位分別為Em=1.0×1011Pa,密度 ρm=7.4g/cm3,μm=0.30。
1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護套,取泊松比μe=0.30,Ee=2.06×1011Pa,根據(jù)式 (3)可得:
GH4169轉(zhuǎn)子護套,取泊松比 μe=0.30,Ee=1.999×1011Pa,由式 (3)可得:
由式(4)和式(5)的計算結(jié)果可知,當過盈量相同時,1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護套比GH4169轉(zhuǎn)子護套所受壓力更大,即轉(zhuǎn)子護套材料為1Cr18Ni9Ti時,其在裝配后所受的靜態(tài)擠壓力較GH4169更大。
轉(zhuǎn)子護套靜態(tài)應(yīng)力即過盈壓裝時產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力,靜態(tài)預(yù)應(yīng)力過大會使裝配變得困難,甚至破壞轉(zhuǎn)子護套壓裝表面,因此在轉(zhuǎn)子護套壓裝前,需對其進行靜態(tài)預(yù)應(yīng)力計算分析[7,8]。
選取永磁轉(zhuǎn)子參數(shù):永磁體內(nèi)表面半徑為5mm,外表面半徑為7.75mm,轉(zhuǎn)子護套內(nèi)半徑為7.75mm,外半徑為8.5mm。轉(zhuǎn)子護套壓裝前,按轉(zhuǎn)子護套尺寸參數(shù)配加工永磁體外圓,由于電機旋轉(zhuǎn)時,過盈量越小,護套保護預(yù)壓力就越?。?-11],在保證過盈量加工可行的情況下,選取半徑方向過盈量為0.005~0.01mm進行分析,仿真中取靜態(tài)過盈量分別為0.005mm和0.01mm。采用接觸有限元法分別對不同轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力及永磁體靜態(tài)預(yù)應(yīng)力進行計算。
1.4.1 0.005mm過盈量時的靜態(tài)應(yīng)力分析
圖2所示為轉(zhuǎn)子護套的靜態(tài)應(yīng)力分析。由圖可知,選取1Cr18Ni9Ti作為轉(zhuǎn)子護套時,其在壓裝后所受的靜態(tài)應(yīng)力較GH4169大,這與理論分析結(jié)果吻合。無論護套取何種材料,其在內(nèi)表面的等效應(yīng)力均為最大,外表面最小。
圖2 0.005mm過盈量轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力分析
基于圖2轉(zhuǎn)子護套的仿真結(jié)果,結(jié)合理論計算分析,選取1Cr18Ni9Ti作為轉(zhuǎn)子護套材料時,永磁體應(yīng)力(切向應(yīng)力)最大,永磁體最小應(yīng)力均在其分段處,如圖3所示。
圖3 永磁體靜態(tài)應(yīng)力
結(jié)合圖2和圖3可知,在過盈量相等的情況下,將轉(zhuǎn)子護套壓裝后,1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護套比GH4169轉(zhuǎn)子護套所受壓力更大,即永磁體所受的力也更大。
1.4.2 0.01mm過盈量時的靜態(tài)應(yīng)力分析
圖4和5分別為0.01mm過盈量時轉(zhuǎn)子護套和永磁體的靜態(tài)應(yīng)力分析。通過對比可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子護套、永磁體的等效應(yīng)力均有大幅度增加,其中轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力的增加幅度較高;盡管過盈量發(fā)生改變,但轉(zhuǎn)子護套選取1Cr18Ni9Ti時,其在壓裝后的等效應(yīng)力仍較GH4169大,相應(yīng)永磁體所受應(yīng)力也更大。
圖4 0.01mm過盈量轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力分析
圖5 0.01mm過盈量時永磁體等效應(yīng)力分析
以型號為 TY800的產(chǎn)品為例,下發(fā)不同材料GH4169、1Cr18Ni9Ti的轉(zhuǎn)子護套樣件30件,分別與轉(zhuǎn)子組件進行配合不同過盈量的壓裝力測試,并進行150℃高溫處理前、后轉(zhuǎn)子護套變形情況的測試驗證。TY800轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 TFY800轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
加工高溫合金GH4169材料轉(zhuǎn)子護套,其與轉(zhuǎn)子組件在不同過盈量下,壓裝力大小和壓裝后外圓徑向變形量測試參數(shù)見表3。
表3 GH4169護套壓裝參數(shù)表
使用高溫合金GH4169材料加工的轉(zhuǎn)子護套在最大過盈量(-0.015~-0.01mm)和過盈量為0~+0.005mm時,其變形量為0~0.009mm,均小于標準小于0.01mm的要求。
加工不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料轉(zhuǎn)子護套,其與轉(zhuǎn)子組件在不同過盈量下,壓裝力大小和壓裝后外圓徑向變形量測試參數(shù)見表4。
表4 1Cr18Ni9Ti護套壓裝參數(shù)表
使用不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料加工的轉(zhuǎn)子護套在最大過盈量(-0.015~-0.01mm)和過盈量為0~+0.005mm時,變形量為0.002~0.017mm,不符合標準高溫后變形量小于0.01mm的要求。
從上述兩個表來看,兩種材料在相同的過盈量下需使用到的壓裝力基本相同,隨著過盈量的增加,其壓裝力也隨之增加,過盈量與壓裝力成正比。
兩種不同材料,在相同過盈或間隙下,經(jīng)過150℃高溫處理后,其變形量也會增加,且過盈量與變形量成正比。但在高溫(150℃)后轉(zhuǎn)子護套外圓變形量卻呈無規(guī)律變化。由表可知,采用高溫合金材料GH4169壓裝后,經(jīng)過150℃高溫,其過盈量均小于0.01mm,但不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti經(jīng)過高溫后,變形量大于高溫合金材料GH4169,這與前期計算結(jié)果相同。
以產(chǎn)品TY800為例,轉(zhuǎn)子護套設(shè)計選用GH4169高溫合金材料,電機額定轉(zhuǎn)速為125000 r/min,護套厚度1.5mm,過盈量0.01mm。在此設(shè)計參數(shù)下仿真得到護套和磁鋼的應(yīng)力分布分別如圖7和8所示。
從圖7護套應(yīng)力分布圖可以看出,轉(zhuǎn)子護套在工裝轉(zhuǎn)速下,其應(yīng)力最大處集中在磁極隔板處,此處受磁鋼離心力拉伸作用,應(yīng)力較大,此處最大應(yīng)力值達到了357.21MPa,但遠小于高溫合金GH4169的屈服強度極限1200MPa,滿足要求。從圖8可以看出,在坐標系下,磁鋼最大徑向應(yīng)力均小于磁鋼的抗拉強度極限35MPa,也滿足使用要求。轉(zhuǎn)子的護套厚度及過盈量選擇合理。
圖7 護套等效應(yīng)力分布
圖8 永磁體徑向應(yīng)力分布
通過計算、仿真和對樣件的壓裝后變形量測試,結(jié)果證明電機轉(zhuǎn)子護套采用高溫合金材料GH4169時,其穩(wěn)定性、經(jīng)過高溫后的變形量參數(shù)性能均優(yōu)于采用不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti。通過驗證測試,用高溫合金材料GH4169制作的轉(zhuǎn)子護套在與轉(zhuǎn)子組件的過盈量小于0.01mm的情況下,即使經(jīng)過高溫150℃處理后,轉(zhuǎn)子護套仍能滿足外圓變形小于0.01mm的要求。