220 t级矿用自卸车柴油发电机转动部件强度分析

巩魁鑫,宫海龙,韩雪梅

(1. 哈电发电设备国家工程研究中心有限公司,哈尔滨 150028;2. 哈尔滨电气集团先进电机技术有限公司,哈尔滨 150028;3. 哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)

0 引言

随着科技的进步和社会的发展,矿用自卸车在采矿行业的地位越来越重要,是大型露天矿山的主要运输工具。电动轮及其驱动系统是矿用自卸车的核心部件,一般由电励磁柴油发电机、车载变频器、电动轮总成组成[1]。电动轮驱动系统属于多系统融合,具有很大难度与复杂度。在整个传动系统中,发电机将动能转化为电能,是系统电动力的全部来源,其可靠性直接影响车辆的正常运行[2],其转动部件的强度是影响整个电驱动系统工作性能和寿命的重要因素。

针对220 t级矿用自卸车电动轮驱动系统的柴油发电机转动部件强度问题,本文进行了深入的研究和探讨。旨在通过对转动部件的强度分析,优化设计方案,提高其工作稳定性和可靠性。为优化220 t级矿用自卸车柴油发电机的设计实践提供参考。

1 柴油发电机基本结构

220 t矿用自卸车发电机采用电励磁同步电机,主要参数见表1。

表1 主发电机主要参数

柴油发电机基本结构如图1所示,柴油发电机的整个转子都是转动部件。除转子本体外,适配盘是直接传递柴油机转矩的关键部件,也需要对其进行强度分析。

图1 柴油发电机组成示意图

2 转子强度分析

本文对磁极极靴位置及磁极冲片倒角进行了优化。根据电励磁柴油发电机电磁方案确定的结构,对该电机转子的强度进行计算,如图2～图4所示。同步电机的磁极主要由励磁线圈、线圈匝间绝缘、磁极铁心、极身绝缘等部分组成[3]。由于转子整体为对称结构,所以取一个磁极计算转子各个部件的应力,分别计算额定转速、超速转速2个工况。有限元计算应力结果用材料的屈服极限考核。额定转速工况下,磁极压板安全系数为1.71;转子冲片的安全系数为1.92;磁轭压板的安全系数为1.17;转子磁轭的安全系数为1.41;转子线圈安全系数为3.66。在超速转速工况下,转子冲片的最大应力小于抗拉极限,键的最大应力为局部压应力,小于材料抗拉极限,平均应力水平较低(小于材料屈服极限),转子其它各部件的最大应力均小于屈服极限。

图2 磁极计算模型边界条件及载荷

图3 额定转速下磁极压板应力分布

图4 额定转速下转子线圈应力分布

额定转速工况下,磁极线圈受离心力作用产生的切向变形量不到0.1 mm。

3 适配盘强度分析

柴油发电机的适配盘是传递柴油机动力的关键部件。把合螺栓连接适配盘和轮毂,适配盘的轮毂通过过盈配合连接转轴,柴油机的转矩通过此路径传递到柴油发电机的转子,驱动转子旋转并发电。在柴油机驱动发电机旋转发电的过程中,适配盘、轮毂及连接螺栓需要在转动工况下稳定的传递扭矩。为保证柴油发电机的稳定安全运行,需要计算离心力作用工况下,通过螺栓、过盈量连接的适配盘、轮毂和转轴应力。由于模型为对称结构,取部分模型进行分析,分别计算了额定转速最小过盈量工况、额定转速最大过盈量工况、超速转速最小过盈量工况、超速转速最大过盈量工况、电机静止最大过盈量工况等5个工况。载荷及边界条件如图5所示。

图5 适配盘模型边界条件及载荷

电机适配盘轮毂与主轴的直径配合过盈量在合适范围,摩擦力矩可以克服柴油机传递的额定扭矩,适配盘与轮毂之间的摩擦力矩也可以克服柴油机传递的额定扭矩。各工况下,适配盘、轮毂、主轴的应力水平在许用范围内,适配盘和轮毂最大应力位置均为螺栓孔接触位置,平均应力水平较低。有限元计算后,还需要进一步计算轮毂与转轴、适配盘与轮毂的配合应力是否足够传递柴油机的扭矩。在考虑轮毂与转轴接触面积为70%的情况下,摩擦力矩Mf>Mn,柴油机传递额定扭矩不会发生滑动。

转轴使用的常规材料屈服极限通常在200 MPa～400 MPa之间,从图6和图7的有限元计算结果看安全裕量充足。同时,适配盘和轮毂的应力在所有工况下都比较高,设计时需要采用屈服极限足够高的材料。螺栓预紧力导致的应力集中,最大应力位置均为螺栓孔接触位置,平均应力水平较低,有限元的应力分布不能反映螺纹的受力情况,需要进一步计算螺纹应力。通过机械设计手册中螺纹应力计算公式的计算结果可以得到:螺纹弯曲应力用轮毂屈服极限考核安全系数为2.54,螺纹剪应力用轮毂屈服极限考核安全系数为2.74,螺杆拉应力为用螺栓屈服极限考核安全系数为1.32。

图6 额定转速转轴与轮毂接触应力分布

图7 适配盘静止最大过盈量应力分布

螺栓和轮毂通过螺纹连接,轮毂的材料屈服极限较低,用其屈服极限考核内螺纹的弯曲、剪切应力,还有一定的安全裕度。

4 试验结果

经过220 t矿用自卸车电动轮驱动系统的联调试验,柴油发电机在额定转速1 900 r/min下运行良好稳定,转矩传递平稳可靠,现场情况如图8所示。

图8 联调试验安全稳定运行情况

5 结论

采用有限元法计算了220 t级矿用自卸车电动轮驱动系统柴油发电机的转动部件在不同载荷工况下的应力,并对整个驱动系统进行了联调试验。试验结果表明,柴油发电机转动部件在工作转速范围内安全稳定、运行平稳,证明了转动部件强度有限元计算结果的可靠性。