大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算.

1、2 0 0 5.NO.1大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算陳明鏡謝寶昌上海交通大學(xué)摘要：針對(duì)大直徑高轉(zhuǎn)矩電機(jī)制造難度大且造價(jià)高的問(wèn)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(jì)和機(jī)械強(qiáng)度計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 .前言隨著電機(jī)的單機(jī)容量及整機(jī)尺寸越來(lái)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(dòng)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(zhǎng)、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

2、單電機(jī)相比也不經(jīng)濟(jì)合理。因此迫切需要直接傳動(dòng)的低 速大直徑、短鐵心結(jié)構(gòu)電動(dòng)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(dòng)損耗和占地面積，還可以減少整個(gè)設(shè)備的成本和維護(hù)費(fèi)用，提高運(yùn)轉(zhuǎn)的 可靠性。對(duì)大直徑、大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)制造難度、造價(jià)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(duì)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(guó)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

3、,4100kW）上采用了國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)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(duì)空心軸結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)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(hào)大型直流電機(jī)（實(shí)心軸）結(jié)構(gòu)（如圖1和2ZD315/134和ZD315/142的基本技術(shù)參數(shù)，其中括號(hào)中的數(shù) 據(jù)為型號(hào)ZD315/142的參數(shù)；轉(zhuǎn)子軸空心軸 所示），額定功率4100kw(5750kW)，額定電壓7 50V( 1 0 0 0 V);基速4 0r/mi n,基速及以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)壓調(diào)速，7 5倍額定電流切斷；高速8 0r/mln，倍額定電流過(guò)載，2倍額定電流切斷；他勵(lì)3 0 0 V

4、（1 級(jí)絕緣和B級(jí)溫升考核，s1工作制連續(xù)運(yùn)行；總重量1 0 0 0 kg），轉(zhuǎn)子單件重量 61220kg（8960 15 0mm，轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度2.5倍額定電流過(guò)載，2.基速至高速恒功率弱磁調(diào)速，1.8，絕緣等級(jí)為F0V)kg)0kg（211，轉(zhuǎn)子直徑口 3mm( 7 4 0 0 m1340mm(1420mm)，轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)度 6 7 8 5 m)o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(zhǎng)及鐵心本體長(zhǎng)度相差不大（約6%），轉(zhuǎn)子單件重相差2 8 3 8 0 kg，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(jì)其性能改善，僅節(jié)

5、約材料及萬(wàn)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(guó)外也有采用螺栓和圓柱銷合二為一的錐形超級(jí)把合螺栓緊固的，這種空心軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為 “組合式空心軸 ”（見(jiàn)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(jiǎn)單，其中間空心軸部分其實(shí)就是一個(gè)空心薄壁圓筒，設(shè)計(jì)時(shí)只須在兩側(cè)加工 好焊接用的坡口即可，但

6、對(duì)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0 4 8 0 0 mm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(zhǎng)不超過(guò)5200mm的電機(jī)轉(zhuǎn)子。而ZD315/1344100kW電機(jī)若設(shè)計(jì)采用實(shí)心軸的話，其轉(zhuǎn)子總重量將達(dá)8 0噸，總長(zhǎng)為6 7 8 5 rr an,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(zhǎng)一10 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

7、材料方便， 容易找到兩種焊接性能差別不大的材料來(lái)做空-1、5 /軸圓筒和空心軸法蘭盤(pán)， 且焊接時(shí)占地空間、面積小，對(duì)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(zhǎng)、精度高、技術(shù)難度 大，同時(shí)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(jiǎn)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

8、受重負(fù)荷能力強(qiáng)。根據(jù)ZD315/134,4100kW,40/80 r/mi n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9 0mm厚的Q 2 3 5 A普通厚鋼板滾 圓成內(nèi)徑為巧1 7 4 0 mm的圓筒。要求滾圓后圓度控制在2mm左右，否則將會(huì) 影響到轉(zhuǎn)子的動(dòng)、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(guò)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(guò)端部坡口、定位止口加工后，采用自動(dòng)埋弧焊的工藝焊 接，焊接時(shí)的工藝流程同全焊接空心軸相類似。但由于兩端法蘭是

9、平底圓盤(pán)結(jié)構(gòu)且 軸向尺寸較短，因此其對(duì)加熱、旋轉(zhuǎn)等所需設(shè)備要求相對(duì)較低，但焊接時(shí)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(wú) 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(guò)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(dòng)埋弧焊的方式焊接成形后再采用自動(dòng)埋弧焊焊接到空心軸圓筒本體上 去的（見(jiàn)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(wàn)方

10、數(shù)據(jù)2 0 0 5.NO.1大直徑空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算成一體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。幅板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又起到根據(jù)電機(jī)總體設(shè)計(jì)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J卜A剖面圖4.空心軸的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)分析主要部件的受力情況和強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行科學(xué)地定型和選材。下面對(duì) 電機(jī)空心軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。1 .空心軸圓筒的受力計(jì)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 圓環(huán)受對(duì)稱集中扭矩的作用，見(jiàn)圖7和8。圖7電機(jī)轉(zhuǎn)子的力矩圖摻嗚畫(huà)圖8空心軸圓筒

11、的受力示意圖表1給出了機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。從表中不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一材質(zhì)的軸而 言，斷面系數(shù)可說(shuō)明同樣外形尺寸的電機(jī)，若設(shè)計(jì)成空心軸結(jié)構(gòu)可用于傳遞24 倍或更大的力矩?；驌Q句話來(lái)說(shuō)，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(chǎng)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。ZD315/134、4100kW電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)及結(jié)果比較項(xiàng)目空心軸實(shí)心軸項(xiàng)目空心軸實(shí)心軸電樞總重量62 0kg空心軸內(nèi)徑10cm電樞重量4043kg（不包括兩端實(shí)心軸及換向器）單邊磁拉力1440kg（考慮最大偏心6%）換向器重量410kg軸中心點(diǎn)撓度0.0104cm0.0409C

12、tq O.軸體重量2 7 2 8 0 kg轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速3310r/rain1513r/min非傳動(dòng)端3 8 8 kN有效鐵心長(zhǎng)度117erall7era軸承支撐力傳動(dòng)端3 5 3 k N空心圓筒長(zhǎng)度173cm總集中扭矩2 9 4 0 k Nm非傳動(dòng)端5 5 1 k Nm主極氣隙長(zhǎng)度0 . 7 e r a結(jié)合處彎矩傳動(dòng)端5 1 7 k N m氣隙磁通密度1 . 0 3 17 丁斷面系數(shù)0. 199m30. 0 9 8 2 m 3轉(zhuǎn)子外徑3 1 5 e m圓筒扭矩4 6 1 k N m電機(jī)額定基速4 0 r/m i n彎矩9 8 k N m電機(jī)額定高速8 0 r/m i n合成應(yīng)力1 1 5 5

13、 0 k N/m 2轉(zhuǎn)軸外徑10 0cm扭轉(zhuǎn)角3 . 4 1 e 3度萬(wàn)方數(shù)據(jù)上海大中型電機(jī)從轉(zhuǎn)子總的撓度對(duì)比結(jié)果看，空心軸結(jié)構(gòu)整個(gè)軸總的撓度只有0. 10 4mm,僅占主極氣隙長(zhǎng)度的1 .4 9%，幾乎可以忽略不計(jì)。實(shí)心軸由于電樞重量太重，導(dǎo)致軸的撓度0 .4 0 9 mm已接近或達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所容許的最高限度6%,在實(shí)際操作中已無(wú)法很好的加以控制。從臨界轉(zhuǎn)速 來(lái)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)

14、用。由于交流電機(jī)沒(méi)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(wú)論從斷面系數(shù)、總撓度和臨界轉(zhuǎn)速還是節(jié)省材料來(lái)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?jì)算根據(jù)空心軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)全焊接空心軸來(lái)說(shuō)，主要計(jì)算空心軸與兩端實(shí)心軸 的焊接工藝和強(qiáng)度計(jì)算，而對(duì)組合式空心軸而言，除了空心軸的中間圓筒與法蘭盤(pán)焊接外，還要考慮螺釘、銷釘連接的強(qiáng)度問(wèn)題。若螺釘、銷釘?shù)膹?qiáng)度不夠，就可能會(huì)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)

15、圖4只要計(jì)算螺釘承受彎矩和圓柱銷釘承受的剪切應(yīng)力?？紤]到設(shè)計(jì)制造 時(shí)兩端實(shí)心軸與空心軸法蘭盤(pán)配合面直徑ell50處有12mm的止口。進(jìn)行整體設(shè)計(jì)布置時(shí)，在直徑0 1 2 5 0 mm的圓周上，每個(gè)結(jié)合面處各均勻分布有35#鋼制成的24只M 3 6 X1 6 0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2 4只M3 6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(zhǎng)度長(zhǎng)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(jì)計(jì)算結(jié)果

16、傳動(dòng)端側(cè)共有2 4只M5X10 0的圓柱銷釘,非傳動(dòng)端側(cè)共有8只M5 X10 0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(jì)算。大型直流電機(jī)的傳 動(dòng)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3 3 00V,額定功率7 5 0 0 kW，轉(zhuǎn)速4080r/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3 0 3 0 mm

17、，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0 2 1 9 0 mm，電機(jī)總重達(dá)2 4 0噸。據(jù)測(cè)算，若該電機(jī)設(shè)計(jì)采用實(shí)心軸結(jié)構(gòu)的話，電機(jī)總重量要達(dá)到2 9 9噸,比空心軸電機(jī)重2 5%。與直流電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑邸15 0mm，空心軸圓筒內(nèi)徑巧1 7 4 0 mm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(dòng)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(huì)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(bào),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(yáng)能發(fā)電設(shè)備容量世界第一據(jù)德國(guó)太陽(yáng)能業(yè)聯(lián)合會(huì)公布的最新數(shù)據(jù)，德國(guó)2 0 0 4年新裝置的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備容量首次超過(guò)日本，居世界第一位。去年，德國(guó)共裝配10萬(wàn)臺(tái)新的太陽(yáng)能設(shè)備，合一12計(jì)容量3 0 0億瓦，高于日本的2 8 0億瓦和美國(guó)的9 0億瓦。德國(guó)去年太陽(yáng) 能業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)到2 0億歐元，比前年增長(zhǎng)6 0%。該聯(lián)合會(huì)主席預(yù)測(cè)，從長(zhǎng)期看，全球市場(chǎng)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過(guò)1 0 0 0億 歐元。德國(guó)在太陽(yáng)能板