基于模態(tài)實(shí)驗(yàn)的軌道牽引電機(jī)整機(jī)有限元模型的建立

龍吟，任曉輝，張珂，羅東，杜小淵，江俊

基于模態(tài)實(shí)驗(yàn)的軌道牽引電機(jī)整機(jī)有限元模型的建立

龍吟1，任曉輝2，張珂1，羅東2，杜小淵2，江俊1

(1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2. 中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044500)

基于電機(jī)在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，建立準(zhǔn)確的電機(jī)整機(jī)有限元模型，對(duì)于考核電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、避免電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生振動(dòng)問題有著指導(dǎo)作用。針對(duì)某型軌道牽引電機(jī)，開展從零部件級(jí)到電機(jī)整機(jī)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，開展電機(jī)相應(yīng)零部件的等效有限元模型建立，重點(diǎn)解決等效參數(shù)的確定、部件連接的合理接觸建模以及轉(zhuǎn)定子鐵芯橫觀各向同性材料參數(shù)測(cè)量等關(guān)鍵問題。通過設(shè)定合理的軸承參數(shù)，將轉(zhuǎn)子部件與定子部件組合，建立該牽引電機(jī)整機(jī)的等效有限元模型，并通過整機(jī)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型的正確性。

軌道牽引電機(jī)；模態(tài)分析；有限元模型；接觸分析

異步電機(jī)在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其控制、建模和振動(dòng)分析等進(jìn)行了深入的研究[1?5]。其中，電機(jī)振動(dòng)問題是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，而整機(jī)的模態(tài)分析對(duì)電機(jī)的振動(dòng)問題非常重要。為了能夠?qū)﹄姍C(jī)的振動(dòng)問題進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，建立準(zhǔn)確的電機(jī)有限元模型十分必要。由于電機(jī)整機(jī)是由含有鐵芯和繞組等非均勻部件的定子和轉(zhuǎn)子裝配起來的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通常很難準(zhǔn)確獲得建立有限元模型的等效材料和物理參數(shù)，而準(zhǔn)確建立電機(jī)各個(gè)零部件之間的連接關(guān)系也是建立電機(jī)整機(jī)有限元模型的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)[6?9]。本文針對(duì)某型軌道牽引電機(jī)，通過對(duì)電機(jī)的端蓋、定子、帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子等主要零部件進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，識(shí)別出其主要模態(tài)參數(shù)。根據(jù)獲取的模態(tài)參數(shù)對(duì)零部件的有限元模型進(jìn)行修正，獲取零部件的等效材料參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際物理結(jié)構(gòu)合理設(shè)置零部件的連接關(guān)系。其中，鐵芯的結(jié)構(gòu)和模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有明顯的各向異性特性，通過實(shí)驗(yàn)和等效有限元模型識(shí)別了其各向異性材料參數(shù)。使用以上獲取的材料參數(shù)和有限元等效模型，建立電機(jī)整機(jī)有限元等效模型，進(jìn)行自由模態(tài)仿真，并對(duì)電機(jī)整機(jī)進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證建立的電機(jī)整機(jī)有限元模型。

1 牽引電機(jī)組成結(jié)構(gòu)

牽引電機(jī)的整機(jī)模型及其主要零部件模型如圖1所示，主要由輸出端和非輸出端蓋、定/轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇等零部件組成。端蓋為鋼鑄件的實(shí)體結(jié)構(gòu)，不存在裝配和接觸關(guān)系。定子由定子鐵芯、繞組、法蘭盤、拉板、上/下吊掛、電纜支架等零件組成，繞組繞制在定子的齒部，4塊拉板與法蘭盤和定子鐵芯之間的連接方式為焊接，吊掛和電纜支架則是與拉板為一體的實(shí)體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯等零件組成，轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸為熱套過盈配合，其中還有長鍵的輔助配合關(guān)系。風(fēng)扇為鋁合金鑄件，具有整體對(duì)稱性，與轉(zhuǎn)軸通過鍵連接。端蓋與定子間采用螺栓連接，轉(zhuǎn)子與定子通過滾動(dòng)軸承連接。

軌道牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，拉板與鐵芯之間通過焊接連接，鐵芯的各向異性特性也比較明顯，對(duì)于鐵芯采用傳統(tǒng)的各向同性材料方式建立的有限元模型得到的模態(tài)參數(shù)不太理想。因此，準(zhǔn)確獲取電機(jī)各個(gè)零部件的材料參數(shù)和建立準(zhǔn)確的接觸方式是建立整機(jī)有限元模型的關(guān)鍵點(diǎn)。為了確保準(zhǔn)確性，根據(jù)如圖2所示的流程圖分步獲取電機(jī)整機(jī)的等效有限元模型。

圖1 牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電機(jī)零部件模態(tài)分析流程圖

2 電機(jī)零部件模態(tài)實(shí)驗(yàn)

為了獲取出零部件的等效有限元模型，首先對(duì)電機(jī)的各個(gè)主要零部件進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)。其中，風(fēng)扇、輸出端端蓋與非輸出端端蓋為實(shí)體結(jié)構(gòu)，且對(duì)稱性較好，內(nèi)部沒有復(fù)雜的接觸關(guān)系，按照材料本身的材料參數(shù)設(shè)置即可得到模態(tài)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的有限元模型。定子與轉(zhuǎn)子為裝配體，由材料不同的零件組裝而成，是模態(tài)分析中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。其中，鐵芯由硅鋼片疊壓而成，實(shí)際并不是實(shí)體結(jié)構(gòu)，直接建立有限元模型難度非常大。由于鐵芯結(jié)構(gòu)與層合板相似，表現(xiàn)出明顯的橫觀各向同性，因此將其假設(shè)為橫觀各向同性材料，單獨(dú)進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合有限元分析識(shí)別出等效的材料參數(shù)。

電機(jī)各個(gè)零部件的模態(tài)實(shí)驗(yàn)均為采用多參考點(diǎn)錘擊法，根據(jù)不同零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行遍歷性地激勵(lì)，每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)采用6次平均來提高信號(hào)的相關(guān)性，減小噪聲干擾。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在鐵芯表面布置一周12個(gè)、共10圈的測(cè)點(diǎn)，并在上吊掛、下吊掛和電纜支架處分別布置測(cè)點(diǎn)，總共205個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在上吊掛、鐵芯布置了共3個(gè)加速度傳感器。通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)，獲得其模態(tài)參數(shù)，為獲取等效有限元模型提供 依據(jù)。

由于轉(zhuǎn)子為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在鐵芯的1/4圓周上布置2排共24個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，風(fēng)扇按照風(fēng)扇單獨(dú)模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)的布點(diǎn)，在外表面布置一周16個(gè)、共3圈的測(cè)點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸上沿軸向布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，總共80個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸和鐵芯上布置了共3個(gè)加速度傳感器。

為了準(zhǔn)確獲取鐵芯的橫觀各向同性材料參數(shù)，對(duì)定子鐵芯進(jìn)行了單獨(dú)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)。鐵芯為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在鐵芯外表面沿周向布置了一圈12個(gè)、共3圈的測(cè)點(diǎn)，鐵芯內(nèi)齒部頂端2圈測(cè)點(diǎn)，鐵芯兩端面各12個(gè)測(cè)點(diǎn)，總共84個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在外表面和端面布置了共3個(gè)傳感器采集信號(hào)。

通過以上實(shí)驗(yàn)，分別識(shí)別出了鐵芯、定子和帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的模態(tài)參數(shù)，包括模態(tài)振型和模態(tài)頻率。這些參數(shù)的獲取將作為后續(xù)獲取電機(jī)零部件的等效有限元模型的基礎(chǔ)和依據(jù)。

3 電機(jī)零部件有限元模態(tài)分析

3.1 鐵芯材料參數(shù)獲取

電機(jī)鐵芯是硅鋼片堆疊而成的非連續(xù)的實(shí)體部件，為橫觀各向同性彈性體。其等效物理參數(shù)可以通過測(cè)量沿軸向振動(dòng)同相位的對(duì)稱模態(tài)和軸向兩端振動(dòng)反相位的反對(duì)稱模態(tài)而獲得。鐵芯的幾何模型如圖3所示，為實(shí)體的空心帶齒圓柱，硅鋼片所在的平面為平面為材料的各向同性面。

圖3 鐵芯幾何模型

將鐵芯模型導(dǎo)入ANSYS中建立有限元模型，使用Size=10 mm的六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元數(shù)約為1萬個(gè)，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化分析，發(fā)現(xiàn)鐵芯的對(duì)稱模態(tài)和收縮擴(kuò)張模態(tài)的頻率受E(E)，G的變化較大，而鐵芯的反對(duì)稱模態(tài)頻率受G(G)的變化較大[10?12]。根據(jù)這一特點(diǎn)，使用響應(yīng)面分析法和鐵芯模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可識(shí)別出鐵芯的材料參數(shù)。采用識(shí)別參數(shù)的有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表1所示。

表1 鐵芯仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 定子等效有限元模型

由于電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，完全按照實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)建立有限元模型會(huì)造成網(wǎng)格數(shù)量過大、網(wǎng)格質(zhì)量差等問題，使得計(jì)算效率大大降低。因此在建立有限元幾何模型時(shí)，省略了對(duì)整體模態(tài)影響不大的細(xì)小零部件結(jié)構(gòu)，如去掉局部的小倒角或圓角，將較小尺寸的螺孔充實(shí)。在保證零部件結(jié)構(gòu)的完整性的前提下，組件中各個(gè)裝配零件的接觸和約束關(guān)系至關(guān)重要。因此，對(duì)于定子、帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子等裝配部件進(jìn)行以下接觸設(shè)置的修正和簡化。

3.2.1 定子結(jié)構(gòu)拉板接觸

拉板與鐵芯、壓圈等結(jié)構(gòu)是通過焊接連接，實(shí)際中為拉板的四邊與周圍結(jié)構(gòu)焊接，而拉板內(nèi)表面與鐵芯等結(jié)構(gòu)為間隙配合。若在仿真時(shí)將拉板內(nèi)表面與鐵芯等結(jié)構(gòu)的接觸設(shè)置為Bonded，會(huì)使有限元模型比真實(shí)情況的剛度更大，使模態(tài)頻率過高，甚至于出現(xiàn)模態(tài)交換的現(xiàn)象。為了真實(shí)地模擬拉板焊接的接觸狀態(tài)，在拉板的2條長邊處各設(shè)置一塊長條矩形區(qū)域，與定子鐵芯的接觸設(shè)置為Bonded，2個(gè)側(cè)面與周圍結(jié)構(gòu)的接觸設(shè)置為Bonded。為確定區(qū)域?qū)挾葘?duì)模態(tài)頻率的影響，在ANSYS中對(duì)不同區(qū)域?qū)挾鹊哪Ｐ瓦M(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，區(qū)域?qū)挾扔? mm增大到19 mm，各階模態(tài)的頻率均有所增大，其中第3階模態(tài)頻率增大最快，該模態(tài)振型為上吊掛的上下擺動(dòng)，受拉板接觸設(shè)置影響較大。通過比較仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均方根誤差，發(fā)現(xiàn)區(qū)域?qū)挾葹?0 mm時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最相近。

圖4 接觸區(qū)域?qū)挾葘?duì)模態(tài)頻率的影響

3.2.2 定子結(jié)構(gòu)繞組簡化

該型號(hào)電機(jī)的繞組為分布繞組，其幾何模型的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)過程中，分別通過對(duì)帶繞組定子和不帶繞組定子的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)繞組只是改變了定子整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，而不改變模態(tài)振型。因此，在對(duì)定子整體結(jié)構(gòu)的建模過程中，首先分別對(duì)不帶繞組的定子和帶繞組的定子進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，通過不帶繞組的定子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得等效有限元模型，然后將繞組的質(zhì)量附加到定子鐵芯上，并適當(dāng)增加鐵芯的彈性模量，使仿真結(jié)果與帶繞組定子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

在材料參數(shù)設(shè)置方面，鐵芯的密度采用現(xiàn)場(chǎng)稱重與幾何模型體積之比，其余各零件采用材料密度，得到的有限元模型總質(zhì)量與現(xiàn)場(chǎng)稱重結(jié)果相差小于1%。鐵芯的橫觀各向同性參數(shù)由3.1節(jié)方法獲得，其余各部分零件的彈性模量與泊松比按照材料的參數(shù)設(shè)置。

根據(jù)以上接觸設(shè)置、簡化方式和材料參數(shù)設(shè)置，并使用Size=10 mm的六面體單元(部分復(fù)雜區(qū)域使用四面體高階單元)劃分網(wǎng)格，單元數(shù)約為8萬個(gè)，建立的有限元模型如圖5所示。表2分別給出了不帶繞組的定子實(shí)驗(yàn)結(jié)果與不同建模方式的仿真結(jié)果的對(duì)比，其中，可以看到各模態(tài)的頻率相對(duì)誤差在8%以內(nèi)，符合工程實(shí)際要求。

表2 不帶繞組定子實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

圖5 定子有限元模型

獲得了不帶繞組定子的等效有限元模型之后，通過現(xiàn)場(chǎng)稱重的方式獲得繞組的質(zhì)量，將繞組的質(zhì)量附加在鐵芯上，并適當(dāng)增大鐵芯的材料參數(shù)，使有限元模態(tài)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。得到的定子等效有限元模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表3 所示。

表3 帶繞組定子實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3.3 帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子等效有限元模型

同樣地，采用定子簡化的方法和過程要求，對(duì)帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的幾何模型進(jìn)行簡化。帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子中的風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯之間的相互接觸和約束關(guān)系至關(guān)重要，轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸之間是通過熱套過盈配合而裝配為整體轉(zhuǎn)子的，同時(shí)轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸之間有一個(gè)鍵連接的輔助約束關(guān)系，而風(fēng)扇的風(fēng)扇座也是通過鍵與轉(zhuǎn)軸過盈配合固定的。為了模擬真實(shí)的接觸狀態(tài)，精確得到帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的計(jì)算模型，把鍵、風(fēng)扇座和轉(zhuǎn)子等部分與轉(zhuǎn)軸的接觸設(shè)置為Rough，并根據(jù)設(shè)計(jì)量設(shè)置過盈量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)稱重和獲取的鐵芯橫觀各向同性材料參數(shù)，并使用Size=10 mm的六面體單元(部分復(fù)雜區(qū)域使用四面體高階單元)劃分網(wǎng)格，單元數(shù)約為7萬個(gè),得到的帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表4所示。

表4 帶風(fēng)扇轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3.4 定子有限元模型修正對(duì)模態(tài)的影響

在建立定子有限元等效模型時(shí)，對(duì)有限元模型進(jìn)行了一些修正，包括拉板接觸方式的修正和鐵芯材料參數(shù)的修正。為了確定這些修正方式對(duì)定子模態(tài)頻率的影響，使用ANSYS對(duì)不同的有限元模型進(jìn)行了模態(tài)分析，得到的結(jié)果如表5所示。其中，模型I使用各向同性鐵芯、拉板與鐵芯內(nèi)表面全部接觸；模型II使用橫觀各向同性鐵芯、拉板與鐵芯內(nèi)表面全部接觸；模型III使用各向同性鐵芯、拉板與鐵芯長條矩形區(qū)域接觸；模型IV使用橫觀各向同性鐵芯、拉板與鐵芯長條矩形區(qū)域接觸，即3.2中使用的有限元模型。

表5 模型Ⅰ–Ⅳ仿真結(jié)果對(duì)比

從表5可以看到，第2階模態(tài)頻率受鐵芯材料參數(shù)影響較大，其余模態(tài)頻率則受拉板接觸方式的影響相對(duì)更大。其中在模型Ⅰ和模型Ⅱ中的第3階模態(tài)振型與實(shí)驗(yàn)振型完全不同。通過對(duì)比模態(tài)頻率和模態(tài)振型，可以看出模型Ⅳ得到的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最相近。

4 電機(jī)整機(jī)有限元建模及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 電機(jī)整機(jī)模態(tài)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述等效有限元模型的準(zhǔn)確性，對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了自由狀態(tài)下的模態(tài)實(shí)驗(yàn)。采用的實(shí)驗(yàn)方法同樣為錘擊法，除電機(jī)內(nèi)部無法敲擊的測(cè)點(diǎn)之外，其余測(cè)點(diǎn)布置均與電機(jī)各零部件模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)相同，包括定子的徑向測(cè)點(diǎn)與2個(gè)端蓋上的軸向測(cè)點(diǎn)，最終測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為367個(gè)，并使用3個(gè)加速度傳感器采集信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)得了電機(jī)整機(jī)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型。

4.2 電機(jī)整機(jī)等效有限元模型

電機(jī)整機(jī)的等效有限元模型的建立，需要準(zhǔn)確的零部件模型和接觸關(guān)系?；诘?節(jié)中已經(jīng)獲取的電機(jī)各個(gè)主要零部件的等效有限元模型，分析轉(zhuǎn)子部分和定子部分的裝配關(guān)系，主要考慮以下2種接觸方式。

1) 端蓋與定子之間在實(shí)際結(jié)構(gòu)中使用螺栓夾緊，接觸剛度比較大，因此將端蓋與定子之間的接觸設(shè)置為Bonded。

2) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與2個(gè)端蓋之間分別使用滾珠軸承和圓柱滾子軸承連接，根據(jù)球面和短圓柱滾子軸承的徑向剛度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(1)和(2)，分別計(jì)算出2個(gè)軸承的等效剛度1和2，并在有限元模型中使用軸承接觸來等效實(shí)際接觸[13?16]。

式中：為徑向負(fù)荷，kgf(1 kgf=9.8 N)；為鋼球或滾子數(shù)目；1/2為鋼球/滾子直徑，cm；為滾子有效長度，cm。

根據(jù)接觸設(shè)置和各零部件的等效有限元模型，建立的電機(jī)整機(jī)等效有限元模型如圖6所示，使用Size=10 mm的六面體單元(部分復(fù)雜區(qū)域使用四面體高階單元)劃分網(wǎng)格，共有約20萬個(gè)單元。

圖6 電機(jī)整機(jī)有限元模型

電機(jī)整機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如表6所示。其中，第1階模態(tài)為橢圓模態(tài)，第2階模態(tài)為機(jī)身整體沿軸向前后扭動(dòng)，第3階模態(tài)為輸出端端蓋前后擺動(dòng)與電纜支架2階擺動(dòng)，第4階模態(tài)為整機(jī)上下擺動(dòng)，第5階模態(tài)為上吊掛和非傳動(dòng)端蓋局部變形。各階模態(tài)頻率的相對(duì)誤差最大不超過5%，驗(yàn)證了電機(jī)整機(jī)的等效有限元模型，說明零部件有限元等效模型和各個(gè)零部件之間的連接方式模擬是準(zhǔn)確的。

表6 電機(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

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26857073.11 38468874.62 4161716391.34 5216421740.46

5 結(jié)論

1) 基于結(jié)構(gòu)橫觀各向同性的設(shè)定，利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，得到由沖片疊壓而成的疊壓鐵芯結(jié)構(gòu)的各向異性材料特性參數(shù)，比各向同性材料參數(shù)更加合理和準(zhǔn)確。

2) 針對(duì)不同的實(shí)際裝配狀態(tài)，分別采用Bonded和Rough的接觸組合，同時(shí)合理選擇接觸面的大小，確定電機(jī)整機(jī)各個(gè)零部件之間的不同連接方式在有限元模型中的合理接觸和約束關(guān)系模擬，精確地建立了電機(jī)整機(jī)的等效有限元模型。

3) 對(duì)比電機(jī)整機(jī)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)和有限元仿真，得到電機(jī)各階模態(tài)頻率的相對(duì)誤差值均不超過5%，極大地滿足了工程實(shí)際應(yīng)用的要求，驗(yàn)證了該模型及其建立方法的準(zhǔn)確性和有效性。

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Finite element modeling of rail traction motor based on modal experiments

LONG Yin1, REN Xiaohui2, ZHANG Ke1, LUO Dong2, DU Xiaoyuan2, JIANG Jun1

(1. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. CRRC Yongji Electric Co., Ltd, Yongji 044500, China)

The motor has been widely used in various industrial fields. And, the establishment of an accurate finite element model of the motor machine has a guiding role in assessing the structural design of the motor for avoiding vibration in the running state of the motor. For this reason, this paper carried out modal test from component to the whole motor on a certain type of rail traction motor. On this basis, the equivalent finite element model of the corresponding parts of the motor was developed, and the key problems, which include the determination of equivalent parameters, the reasonable contact modeling of parts connection and the measurement of the transversely isotropic material parameters of the rotor iron core, were solved. Finally, the equivalent finite element model of the traction motor was established by setting reasonable bearing parameters with combining the rotor and stator components.

rail traction motor; modal analysis; finite element model; contact analysis

U264.1

A

1672 ? 7029(2019)06? 1553 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.06.027

2018?09?06

中車電機(jī)基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(2017CTB087)

江俊(1963?)，男，安徽全椒人，教授，從事結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)工作；E?mail：jun.jiang@mail.xjtu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)