一、问题的提出

 

在1100kW异步风力发电机的国产化过程中，发现国外电机在相同输出扭矩的情况下，电机的轴伸直径（ф100mm)小于国内同功率电机的直径（ф130mm)。除了使用高强度材料外，连接轴伸和转轴其它部分的位置的砂轮越程槽的设计也是一个重要的因素。东莞环球电机轴伸在粗加工时，一般都采用砂轮越程槽，以便精加工时用磨床加工。合理的设计越程槽可以避免此处出现由于应力集中而产生高于转轴材料的疲劳应力，导致转轴轴伸在根部出现疲劳断裂的情况。

 

二、不同过渡方法的应力对比

 

轴截面变化处会产生应力集中现象，往往是发生疲劳破坏的位置。为了减小应力集中，提高轴的疲劳强度，可以采用过渡圆角，轴阶梯处的过渡圆角半径很有讲究，不应过小。

 

针对环球电机轴伸来说，由于轴伸粗糙度要求较高，需要采用砂轮磨削。考虑到砂轮磨削的工艺性，转轴轴伸台阶位置一般都采用砂轮越程槽结构，按照GB/T6403.5-2008《砂轮越程槽》规定，采用的结构尺寸和转轴外径的关系如图1和表1。

 

图1：砂轮越程槽示意图

表1：砂轮越程槽尺寸

b1	5	8	10
h	0.6	0.8	1.2
r	1.6	2	3
d	>50~100	>100

按此标准的规定，电机直径（ф100mm)应该采用b1=5的砂轮越程槽配置。但电机轴伸应力较大，对不同结构尺寸下此处的应力集中程度进行对比，可以避免因集中应力造成的疲劳失效，为慎重起见，分别按b1=5mm、8mm和10mm进行了有限元计算。

 

由于只对东莞电机轴伸的应力集中情况进行计算，所以对转轴模型进行了简化，只计算了轴伸和下一档合阶，采用ANSYS软件对应力分布进杇了仿真。

 

电机转矩分别对电机轴伸在额定转矩TN=7003Nm时，与系统故障可能出现的最大额定转矩Tm=14006Nm时，进行仿真计算。转轴材料为35CrMo。

 

为了计算出轴颈处的最大应力，对越程槽处的网格进行了细化，计算结果统计如表2。

 

表2：应力对比

	额定转矩	最大转矩
	MPa	MPa
b1=5	136.6	273.3
b1=8	129.2	258.3
b1=10	119.8	239.6

东莞电机厂可以看出最大应力位置都集中在砂轮越程槽圆角过渡位置。根据表2的计算结果，选用b1=10时，轴颈处的应力集中程度最小。选用此种过渡结构，可以大大降低轴伸处的应力集中情况，降低幅度超过了12%，有显著的效果。

 

此电机经过长期运行考核，无一出现轴伸断裂的现象。

 

三、结语

 

通过对比分析可以看出：选用合理的轴伸过痺结构对降低庳力集中有显華效果使用有限元计算方法，可以对轴伸过渡位置的应力分布进行分析，得到准确的结果，是一种有效的分析手段。

 

如果东莞环球电机转轴材料应力裕度较小，选择轴伸砂轮越程槽时，不能只按照标准选择，应根据其使用工况和其它相关尺寸要求，进行适当的选择，选取更大的过渡圆角，以减小应力。

 

应力都集中在砂轮越程槽圆角过渡位置。在一般加工砂轮越程槽时，工艺方法往往很随意，图纸也没有进行严格要求，如果此位置车削的过于粗糙，产生的局部裂纹在大应力条件下容易导致材料失效。所以在图纸上对此位置粗糙度要求应适当提高，工艺方法上也要有所讲究。