220 t級礦用自卸車柴油發電機轉動部件強度分析

鞏魁鑫,宮海龍,韓雪梅

(1. 哈電發電設備國家工程研究中心有限公司,哈爾濱 150028;2. 哈爾濱電氣集團先進電機技術有限公司,哈爾濱 150028;3. 哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150040)

0 引言

隨著科技的進步和社會的發展,礦用自卸車在采礦行業的地位越來越重要,是大型露天礦山的主要運輸工具。電動輪及其驅動系統是礦用自卸車的核心部件,一般由電勵磁柴油發電機、車載變頻器、電動輪總成組成[1]。電動輪驅動系統屬于多系統融合,具有很大難度與復雜度。在整個傳動系統中,發電機將動能轉化為電能,是系統電動力的全部來源,其可靠性直接影響車輛的正常運行[2],其轉動部件的強度是影響整個電驅動系統工作性能和壽命的重要因素。

針對220 t級礦用自卸車電動輪驅動系統的柴油發電機轉動部件強度問題,本文進行了深入的研究和探討。旨在通過對轉動部件的強度分析,優化設計方案,提高其工作穩定性和可靠性。為優化220 t級礦用自卸車柴油發電機的設計實踐提供參考。

1 柴油發電機基本結構

220 t礦用自卸車發電機采用電勵磁同步電機,主要參數見表1。

表1 主發電機主要參數

柴油發電機基本結構如圖1所示,柴油發電機的整個轉子都是轉動部件。除轉子本體外,適配盤是直接傳遞柴油機轉矩的關鍵部件,也需要對其進行強度分析。

圖1 柴油發電機組成示意圖

2 轉子強度分析

本文對磁極極靴位置及磁極沖片倒角進行了優化。根據電勵磁柴油發電機電磁方案確定的結構,對該電機轉子的強度進行計算,如圖2～圖4所示。同步電機的磁極主要由勵磁線圈、線圈匝間絕緣、磁極鐵心、極身絕緣等部分組成[3]。由于轉子整體為對稱結構,所以取一個磁極計算轉子各個部件的應力,分別計算額定轉速、超速轉速2個工況。有限元計算應力結果用材料的屈服極限考核。額定轉速工況下,磁極壓板安全系數為1.71;轉子沖片的安全系數為1.92;磁軛壓板的安全系數為1.17;轉子磁軛的安全系數為1.41;轉子線圈安全系數為3.66。在超速轉速工況下,轉子沖片的最大應力小于抗拉極限,鍵的最大應力為局部壓應力,小于材料抗拉極限,平均應力水平較低(小于材料屈服極限),轉子其它各部件的最大應力均小于屈服極限。

圖2 磁極計算模型邊界條件及載荷

圖3 額定轉速下磁極壓板應力分布

圖4 額定轉速下轉子線圈應力分布

額定轉速工況下,磁極線圈受離心力作用產生的切向變形量不到0.1 mm。

3 適配盤強度分析

柴油發電機的適配盤是傳遞柴油機動力的關鍵部件。把合螺栓連接適配盤和輪轂,適配盤的輪轂通過過盈配合連接轉軸,柴油機的轉矩通過此路徑傳遞到柴油發電機的轉子,驅動轉子旋轉并發電。在柴油機驅動發電機旋轉發電的過程中,適配盤、輪轂及連接螺栓需要在轉動工況下穩定的傳遞扭矩。為保證柴油發電機的穩定安全運行,需要計算離心力作用工況下,通過螺栓、過盈量連接的適配盤、輪轂和轉軸應力。由于模型為對稱結構,取部分模型進行分析,分別計算了額定轉速最小過盈量工況、額定轉速最大過盈量工況、超速轉速最小過盈量工況、超速轉速最大過盈量工況、電機靜止最大過盈量工況等5個工況。載荷及邊界條件如圖5所示。

圖5 適配盤模型邊界條件及載荷

電機適配盤輪轂與主軸的直徑配合過盈量在合適范圍,摩擦力矩可以克服柴油機傳遞的額定扭矩,適配盤與輪轂之間的摩擦力矩也可以克服柴油機傳遞的額定扭矩。各工況下,適配盤、輪轂、主軸的應力水平在許用范圍內,適配盤和輪轂最大應力位置均為螺栓孔接觸位置,平均應力水平較低。有限元計算后,還需要進一步計算輪轂與轉軸、適配盤與輪轂的配合應力是否足夠傳遞柴油機的扭矩。在考慮輪轂與轉軸接觸面積為70%的情況下,摩擦力矩Mf>Mn,柴油機傳遞額定扭矩不會發生滑動。

轉軸使用的常規材料屈服極限通常在200 MPa～400 MPa之間,從圖6和圖7的有限元計算結果看安全裕量充足。同時,適配盤和輪轂的應力在所有工況下都比較高,設計時需要采用屈服極限足夠高的材料。螺栓預緊力導致的應力集中,最大應力位置均為螺栓孔接觸位置,平均應力水平較低,有限元的應力分布不能反映螺紋的受力情況,需要進一步計算螺紋應力。通過機械設計手冊中螺紋應力計算公式的計算結果可以得到:螺紋彎曲應力用輪轂屈服極限考核安全系數為2.54,螺紋剪應力用輪轂屈服極限考核安全系數為2.74,螺桿拉應力為用螺栓屈服極限考核安全系數為1.32。

圖6 額定轉速轉軸與輪轂接觸應力分布

圖7 適配盤靜止最大過盈量應力分布

螺栓和輪轂通過螺紋連接,輪轂的材料屈服極限較低,用其屈服極限考核內螺紋的彎曲、剪切應力,還有一定的安全裕度。

4 試驗結果

經過220 t礦用自卸車電動輪驅動系統的聯調試驗,柴油發電機在額定轉速1 900 r/min下運行良好穩定,轉矩傳遞平穩可靠,現場情況如圖8所示。

圖8 聯調試驗安全穩定運行情況

5 結論

采用有限元法計算了220 t級礦用自卸車電動輪驅動系統柴油發電機的轉動部件在不同載荷工況下的應力,并對整個驅動系統進行了聯調試驗。試驗結果表明,柴油發電機轉動部件在工作轉速范圍內安全穩定、運行平穩,證明了轉動部件強度有限元計算結果的可靠性。