電動機吊座的結構分析

金廣柱，段友斌

(佳木斯技師學院，黑龍江佳木斯154002)

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電動機吊座的結構分析

金廣柱，段友斌

(佳木斯技師學院，黑龍江佳木斯154002)

摘要闡述了利用Pro/E軟件進行了電機吊座實體建模，并利用Pro/E軟件強大的有限元分析功能進行了結構分析、動靜力學分析、疲勞強度預測的過程，并利用以上的構建模型及分析結果，對電機吊座進行了一定的結構分析和優化。

關鍵詞電機吊座；Pro/E；結構分析

0引言

隨著我國經濟的發展，特別是高鐵、地鐵、機車及其他很多交通工具類型全部由蒸汽型機車轉變成電力機車、電傳動內燃機車。實現了電機應用到機車之上，特別是火車經過幾次大的提速之后，由于速度的提高加大了懸掛電機的振動，使機車的牽引電動機吊座經常出現故障及斷裂，如何避免吊座的斷裂和預測其疲勞強度并進行結構優化是電機廠亟需解決的問題之一，傳統的方法是采用傳統的估計公式的設計方法定型電機吊座，并把產品投放市場，經市場反饋及時確定產品改型方案。由于其周期長，需經過數年時間，同時也會產生極大的負面影響：(1)是對產品聲譽造成巨大的損害；(2)是往往產品還沒重新優化改型，產品已經下線。因此如何在設計之初直接進行優化設計并預測疲勞強度是一個亟待解決的問題。近年來隨著大型軟件Pro/E的普及以及Pro/E軟件產品有限元分析并進行產品優化功能的應用逐漸興起，不但能使用Pro/E進行產品設計還能使用Pro/E軟件對新產品在設計之初進行設計分析優化成為可能，大大的縮短了新產品投放的時間，保證了產品在結構最優最節省材料的情況下，最快的投放市場。本文主要介紹了如何利用功能強大的Pro/E軟件對火車電機吊座進行結構和力學分析并進行產品結構分析和部分優化。

1建立模型

1.1首先利用Pro/E強大的三維建模功能根據工程尺寸圖1進行實體拉伸、打孔、拔模斜度、倒圓角，建模電機吊座，如圖2。

1.2創建載荷

進Pro/E下應用程序選MECHANICA →每個內孔表面力取350 kN確定(7t沖擊力每孔3500kg)。

1.3分配材料

進Pro/E進應用程序選MECHANICA進模型類型進行材料分配，編輯材料屬性：鑄造成型，拉伸屈服應力為345Mpa；抗張極限應力為400Mpa;材料類型→低合金鋼Q235A;表面光潔度:鑄造成型;彈性模量E為210GPa,泊松比μ=0.3，材料密度7.86kg/dm3。

1.4創建網格

單擊上文已建模好的文件b.prt→應用程序→MECHANICA創建最小角5.08，最大角148.39生成632條邊，831個面網格。

通過以上步驟基本完成了電機吊座的分析前的參數設置準備工作，為下一步Pro/E分析做好了鋪墊工作。

2結構分析

在實際工作中電機吊座雙耳經常出現斷裂及耳孔破裂，通過分析電機吊座模型及工程圖(如圖1)的零件外觀及結構可以看出其受力區域主要在雙耳，需要優化的尺寸主要有兩個：(1)雙耳厚度30；(2)雙耳外徑尺寸R50。在這兩個尺寸中厚度這個尺寸的大小決定著電機吊座的結構是否合理，材料使用壽命是否符合要求，受力是否滿足要求等。本文主要利用Pro/E應用程序MECHANICA進行“有限元方式”分析，并進行以下結構強度；結構分析；疲勞預測分析三方面研究。

2.1靜態分析

選用菜單欄中的分析下MECHANICA命令進行靜態分析，經過幾分鐘分析完成靜態分析后得到電機吊座的模型應力條紋圖,如圖3所示；變形量曲線,如圖4所示.通過分析厚度大于26mm均滿足要求。所以此設計厚度在允許范圍內。

2.2模態分析

退出以上結果窗口,進入Pro/E應用程序MECHANICA下分析和設計,選擇模態分析命令對模型進行模態分析并顯示出現的問題，圖5是模型的變形條紋圖,通過分析雙耳耳環及雙耳根部受力最大，極易損壞。

2.3疲勞分析

退出模態結果顯示窗口,進入菜單欄中的文件下疲勞分析命令，選擇分析選項卡進行疲勞分析的創建進行疲勞分析，經過分析顯示壽命條紋圖見圖6；顯示破壞條紋圖見圖7；顯示安全系數條紋圖見圖8；顯示壽命置信度條紋圖見圖9。經過分析在上面的結構設計上疲勞強度以鑄造為工藝，有效期天數為7864天；工藝如采用鍛造天數為8752天；工藝采用表面拋光則27654天。一般由于鑄造成型成本低，因此可采用鑄造成型，但應預測疲勞強度，并規定報廢年限，在其達到報廢年限時立即更換報廢，防止造成更大損失(如電機吊座達到報廢年限，沒有及時更換，造成電機吊座斷裂，由于是懸掛式電機可能造成電機掉落損壞或人身傷害)是非常關鍵和必要的。

2.4敏感度分析

退回分析和設計研究對話框,選擇新建標準設計研究命令,在3D模型中顯示吊耳厚度尺寸30輸入變化量20,隨后進行敏感度分析顯示出分析的結果：應力隨吊耳厚度變化條紋圖，如圖10；最大應力隨吊耳厚度變化曲線，如圖11。從圖11中可知厚度30對應最大應力為提速前320Mpa(提速后340 Mpa),接近最大應力345 Mpa，尤其提速后應力已接近極限，如果動應力達到極限極易斷裂，因此應進行改進或優化。

3結構分析及優化

回到分析和設計研究對話框，進入新建優化設計研究下的優化選項，定義極限列表框中數值200。選中3D模型中的吊耳尺寸30，結果窗口中顯示變形與吊耳厚度變化條紋圖，如圖12，通過測量選項雙耳根部尺寸為41.61頂部尺寸為32.1最終在其他尺寸不變的情況下確定雙耳頂部尺寸厚度為32,完成優化設計分析．最后進行零件升級完成優化后模型圖13。重新進行敏感度實驗雙耳厚度變為32后，其最大應力315 Mpa遠遠低于345Mpa，且其疲勞強度比原來略有提高，此零件合格。

4結語

本文利用Pro/E軟件通過對電機吊座的有限元分析得出電機吊座產生斷裂愿因主要有兩個：(1)提速后機車運行過程中沖擊載荷(即動應力)過大導致斷裂；(2)疲勞強度造成斷裂。

結構優化后達到以下結果：(1)通過改變厚度尺寸即將吊座厚度從30改為32，雖然增加了材料質量并增加成本，但大大的提升了電機吊座雙耳的強度系數避免了因提速后機車運行過程中沖擊載荷過大導致斷裂；(2)預測了疲勞強度及其提高方法即用規定報廢時間20年或進行拋光使其壽命達到70年，從而避免疲勞強度造成斷裂，使產品由不可控隨時有斷裂的危險變為可控的報廢年限。因此其安全性的提高所帶來的價值無法估量的。

Pro/E軟件有限元分析方法不僅對電機吊座能進行有限元分析和結構分析和一定的優化而且對同類產品也具有極大的推廣作用。

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Structural Analysis on Lifting Socket of Motor

JinGuangzhuandDuanYoubin

(Jiamusi Technician College, Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper describes modeling of motor lifting socket by software Pro/E, and the processes of structural analysis, dynamic and static analyses, fatigue strength prediction based on powerful finite-element analysis function of Pro/E. A certain structural analysis and optimization of motor lifting socket are carried out based on the above analysis results of model.

Key wordsLifting socket of motor；Pro/E；structural analysis

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.06

中圖分類號：TM303

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)03-0020-004

作者簡介：金廣柱男1966年生；畢業于佳木斯大學(原工學院)機械制造與工藝專業，現從事模具結構和設計等方向研究.

收稿日期：2016-04-27