基于有限元法的牵引电机端盖轻量化设计

汤黎明，丁 雷

（南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001）

基于有限元法的牵引电机端盖轻量化设计

汤黎明，丁 雷

（南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001）

通过有限元法对某型号牵引电机端盖进行轻量化设计。在端盖质量不变的前提下，提出了4种端盖的通风筋优化方案，计算原方案及4种优化方案的刚度，发现增加筋的数量可以提高这种端盖的刚度。综合考虑工艺和设计，提出了最终优化方案，这种优化方案可以保证端盖的径向刚度不降低，同时减少端盖约3%的质量。

轻量化；端盖；刚度；有限元

1 引言

随着我国轨道交通事业的蓬勃发展，电力驱动列车如电力机车、动车组日益朝着高速重载方向发展。列车对牵引电机提出了越来越高的要求，为了提高列车整体的可靠性，希望电机在发挥足够功率的同时拥有更轻的质量。端盖作为牵引电机上主要的结构件，迫切需要在保证产品性能的同时，进行轻量化设计。

有限元方法是现代工程实际中一种有效、快捷的辅助工具。把有限元法应用于牵引电机端盖的结构优化设计中，可以加快产品设计周期，提高产品质量。文章以某型号牵引电机传动端端盖为优化对象，目标是在保证端盖径向刚度不变的前提下，尽量挖掘端盖的潜力，降低端盖的质量。

2 优化方案对比

原6方案端盖如图1所示，一共有4根均布的加强筋，现考虑改变加强筋的数量，在保证质量不变的同时，将加强筋的数量改为6根、8根、10根和12根，分别别得到4种方案，4种方案如图2～图5所示。为了抓住问题的主要矛盾，本文将端盖的细节进行了简化。

图1 原方案

图2 方案1

图3 方案2

图4 方案3

图5 方案4

3 有限元模型的建立

建立有限元模型，比较以上5种方案的传动端端盖刚度。该电机传动端端盖上安装的是不带轴向定位的圆柱滚子轴承，故端盖主要承受径向力，不承受转子给予的轴向力。因此，我们关心端盖的径向刚度，现比较五种方案端盖X，Y，Z三个方向的刚度。X，Y为径向，Z为轴向。

端盖的材料为球墨铸铁QT-400-18。

边界条件如下：将止口面固定，轴承中心作为施力点，将施力点与端盖的轴承安装面耦合起来。边界条件如图6所示，在施力点上分别沿X、Y、Z施加10k·N的力，利用有限元软件计算施力点的位移。有限元网格模型采用4面体网格，如图7

所示。

图6 仿真边界条件

图7 网格模型

4 仿真结果对比

五种方案的计算结果表1所示。

表1 施力点位移(mm)

因为施加的力相同，所以位移越小，刚度越好。

从表1可以发现，方案1至方案4的刚度均好于原方案，且方案1的刚度最好。从中可以得出一个结论：对于所分析传动端端盖结构，在质量相同的情况下，通风筋的数量越多，端盖的刚度越好。

端盖受到铸造工艺条件的限制，铸造的筋的数量不能太多，故选定最终方案的筋的数量为12个，并在此基础上进行轻量化分析。

5 最终方案

在方案4基础上继续进行优化，得到方案5：将通风筋数量定为12，通风筋的宽度定为20mm。方案5如图8所示。

Lightweight Design for the End CapofTraction Motor Based on Finite Element Method

TANG Li-ming,DING LEI
(CSR Zhuzhou Electric Co.,ltd,Zhuzhou，Hunan 412001,China)

In this paper,Lightweight designwasperformed fora certain type of traction motor cover.Under the premise the the weight of thecover was constant,four optimizationproposalsforventilation rib were proposed.The stiffness of the original cover and four kinds of optimized covers were calculated,it was found that ifincreasing the number of ventilation rib,the stiffnessof the cover would be strengthened.Takingprocessing and designinto comprehensiveconsideration,thepaper proposed the final optimization proposal.The new proposal could make sure the radial stiffness wouldn't decrease,and about 3%of cover quantity would becutted.

lightweight;end cap;stiffness;finite element

TM303

A

2095-980X（2015）02-0035-02

2015-01-15

汤黎明（1986-），男，湖北十堰人，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向：电机结构设计。