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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 隔爆电机主轴的断裂分析及优化设计-设计论文隔爆电机主轴的断裂分析及优化设计温崇 WEN CHONG 曰王天锋 WANG Tian-feng 曰李琳琳 LI Lin-lin （南阳防爆集团股份有限公司,南阳 473008 ）摘要院依据详细案例,结合负载工况参数,对 YB2-355S-10 90kW 电机主轴断裂进行分析,并利用 Solidworks 及 ANSYSworkbench 软件对分析和改进结果进行实例仿真,进一步优化电机主轴结构设计,使之更能适用于复杂工况；关键词 院电机主轴；断裂；仿真分析；优化改进中图分类号院 TD614 文献标识码
2、院 A 文章编号院 1006-4311 （2022 ）27-0070-03 0 引言随着我国工业水平的进展,电动机被应用于越来越多的场合,而高启动转矩,较大瞬时冲击载荷等复杂工况条件,对电动机的设计提出了更高的要求；本文引用电动机拖动往复式压缩机,承担较大瞬时冲击载荷,并引起主轴断裂这一详细案例,对该工况下的电机主轴进行分析,并利用 Solidworks 及ANSYS workbench 软件,对分析和改进结果进行实例仿真,进一步优化电动机主轴结构设计,使之更能适用于复杂工况； 1 电动机主轴断裂情形介绍南阳防爆集团有限公司生产的一台低压隔爆型电动机 YB2-355S-10 90kW ,于 2
3、022 年出厂,配套国内某厂家往复式压缩机,联接方式为联轴器名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - （重约 30kg ）,用于山西某地CNG 加气站, 2022 年 5 月份用户反馈电机断轴,断裂位置和断面形貌特点如图 1 和图 2 所示；从主轴断面形貌特点（图2）分析,电机主轴断裂经过疲惫源区,疲惫扩展区和突然断裂区,其中,疲惫扩展区面积大约占总面积的 10% 左右；从压缩机受力曲线图（图 3 ）可以看出,虽然压缩机的综合扭矩图示最大仅有3kN m,但系统承担的气体力最大可达 23kN ,电动机主轴承担较大的瞬时冲击载
4、荷,且成反方向,周期性变化；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 破坏； 3 电动机主轴疲惫强度的校核名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 11 页精选学习资料 -
5、 - - - - - - - - 4.3 利用 ANSYS meshing 进行运算,得到主轴变形外形动画演示（图名师归纳总结 5）和主轴应力分布示意图（图6）、主轴应力分析放大图（图7）；第 7 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 通过电机主轴的变形外形动画演示（图5）和主轴应力分布示意图（图6）、图 7 分析,应力集中部位位于轴伸R2 处；最大值为69.6MPa ,远远小于 45 钢的屈服强度滓s=355MPa ,证明了电动机主轴疲惫破坏应力和疲惫强度的估算结果,说明电动机主轴有足够的强度,主轴断裂的缘由可能是在交变应力的反复作用下,
6、电机轴伸R2 台阶处产生周而复始的扭转变形,疲惫裂纹源产生在应力集中部位,并在此扩展,不断延长,最终导致主轴断裂； 5 改进措施名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 针对可能引起电机主轴断裂的缘由,从以下几方面去分析改进主轴的设计： 5.1 面对详细的工况,改进轴的材质；电机轴常用轴材质为45 钢,提高其质量,增加热处理要求；当45 钢不能达到要求时,应当选用材质更好的40Cr 、35CrMo 去替代,并增加热处理要求,提高材料的力学性能； 5.2 挑选合理的结构设计和加工工艺,防止产生应力集中；在电机轴的结构设计和加
7、工工艺中,常会挑选诸如越程槽,挡圈槽,阶梯 过渡或轴肩等结构,假如槽结构不合理或不匀称,过渡圆角台小或轴径变化较 大等,都会导致应力集中,在交变应力的作用下,这些部位逐步形成微观裂 纹,且逐步扩展,最终导致轴突然断裂；应挑选合理的结构设计和加工工艺,削减越程槽的使用,改为圆角过渡,防止轴径猛烈变化,削减应力集中；CAE 软件 5.3 充分利用运算机帮助设计,对复杂工况进行模拟；利用 ANSYS 进行模态分析,大大缩短了设计周期,降低了设计成本,并能依据不同 的工况,设定详细的参数,更加接近生产现场去模拟电机的运行,给设计人员 以指导,挑选最优的设计方案； 5.4 充分预估复杂工况,合理选型电动
8、机；在复杂工况的条件下,对电动 机选型不合理,比如瞬时冲击载荷,可能是正常载荷的数十倍；电机承担较大 的轴向力或径向力等,应将诸如此类的情形考虑在内,并在电机定货时注明,以便实行特别措施； 6 结语 综上所述,本次案例,是在交变应力的反复作用下,危急截面产生周期性名师归纳总结 的扭转变形,并在此扩展,不断延长,最终导致主轴断裂,利用CAE 软件进行第 9 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 模态分析,演示了实际工况下电机主轴的运行状态,直观的显示了主轴危急截 面的受力状况,并以此为指导,优化了电机主轴的结构设计,有效防止了可能 引起主轴断
9、裂的不利因素,对于复杂工况条件下电机的设计,有很大的帮忙；本文将 CAE 软件 ANSYS 与实际工况相结合,精确高效地分析了生产过 程中显现的问题,达到了很好的成效,并为今后电机设计和现场问题的解决,供应了新的思路和方法；目前,该模式已经得到广泛的应用,新工程研发中计算机帮助设计的参加率达到100% ,同时也使得新产品的试制胜利率达到98% ；对待问题电机的处理中,利用运算机进行实际工况模拟,抛弃了以前凭 体会,排除法的老路子,从根源上把问题暴漏出来,对症下药,有效的解决了实际问题,不仅提高了效率,节约了成本,同时也带来了可观的经济效益；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页