某轴悬式牵引电机有限元分析

某轴悬式牵引电机有限元分析

王子明 王栋

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111 )

摘 要：本文为了验证某型轴悬式牵引电机强度是否满足设计要求，通过有限元前处理软件HyperMesh对其进行有限元建模，通过ANSYS软件计算分析该型电机的静强度。

关键词：牵引电机；有限元；静强度

0 引言

随着城市化进程的快速推进，铁路运输作为当今世界主要的运输方式之一，以其强大的运输能力和较快的运输速度，一直深受世界各国的喜爱^[1]。但随着轨道车辆的不断提速，机车构件的焊缝疲劳寿命不断影响着列车的运行安全^[1]。而牵引电机作为轨道车辆转向架上的重要部件，本身质量大，加上工作环境恶劣，使得电机上的焊缝容易产生疲劳裂纹，甚至发生断裂的现象，造成不可逆转的后果。所以，对牵引电机进行抗疲劳性能分析是十分必要的。而在研发过程中计算机辅助工程（CAE）软件的大量使用，可以在设计阶段对模型进行初步分析，有效的减少研发周期，降低成本，提高产品的各项性能^[2]。李朋^[3]等运用有限元仿真分析结果验证了重载货车车钩模型的可靠性及强度关系的准确性。谢素明^[4]等利用有限元的分析结果评估碳钢客车的疲劳寿命，并给出BS标准焊缝打磨之后的疲劳寿命增加这一结果。许喆^[5]等运用有限元软件分析计算结果对地铁车辆车体刚度、静强度、模态及疲劳强度进行校核，得出车体强度满足设计要求。

本文以某型机车的轴悬式牵引电机为研究对象，根据设计方提供的几何模型，基于有限元前处理软件HyperMesh建立该电机的有限元模型，根据TB-T3548-2019-《机车车辆强度设计及试验鉴定规范总则》标准确定电机的运行计算工况，通过ANSYS软件进行有限元分析。

1 电机结构简介

该型牵引电机主要包括转子、定子铁心、传动端端盖、过渡盘、传动端压圈、上下通风道板，小吊挂、大吊挂，吊耳、弧板、非传动端端盖、非传动端压圈等结构。其中，传动端端盖和非传动端端盖通过螺栓连接在主体上，而小吊挂和大吊挂主要靠焊缝与主体相互连接。电机主要由Q235钢、圆钢20以及ZG230-450钢等材料焊接而成。

2 电机结构有限元分析

2.1 有限元计算模型的建立

将电机几何模型导入HyperMesh软件中进行离散化处理，本文选用3D单元离散模型，单元尺寸为20mm，其中电机主体和焊缝主要用六面体和四面体网格来划分，因为焊缝位置是本次模型考察的重点，所以对焊缝位置处的网格进行细化处理，转子采用梁单元和质量点来模拟，螺栓使用梁单元和CE单元来模拟。该有限元模型由2947994个单元，1380165个节点组成。

2.2 边界条件

牵引电机在工作状态下除了受到转子重量、定子重量、线圈重量等自身重量，还受到额定的转矩和单边磁拉力，这些都需要在有限元模型中模拟出来，除了施加载荷外，由于电机主要靠大吊挂和小吊挂悬挂在转向架上，所以电机的约束主要施加在大、小吊挂处，约束垂向、纵向、横向3个方向的线位移。

2.3 计算工况

根据TB/T-3548-2019-《机车车辆强度设计及试验鉴定规范总则》中规定的在超常载荷工况下，对牵引电机和齿轮箱连接装置的惯性载荷对应的加速度按照以下原则选取：垂向加速度为20g，横向加速度为10g，纵向加速度为5g。通过查阅相关资料可以得知，机车在运行过程中，受到的载荷是静载荷和动载荷的线性叠加，所以在计算分析时要选取其极限状态，即将静载荷和动载荷进行组合，组合出电机运行过程中的可能出现的最大载荷工况。所以，在这次对电机静强度的校核分析中，选取了4个工况进行计算。

表1 静强度工况列表

其中静载荷由电机的额定扭矩和单边磁向力组成，按照实际工作环境，电机的额定扭矩为8806 ，单边磁向力为5517.8 。

疲劳工况同样依据TB/T-3548-2019-《机车车辆强度设计及试验鉴定规范总则》规定的在运营工况下，牵引电机惯性载荷对应的加速度按照以下原则加载：

轴悬式牵引电机：垂向加速度为 ，横向加速度为 ，纵向加速度为 。

3 静强度计算

对电机结构进行静强度分析，本文牵引电机主要材料是钢材，静强度的计算采用的是第四强度理论，即Von Mises等效应力。根据EN 12663-1标准规定安全系数

S要大于1。通过计算结果的此设备安全系大于1，说明该结构满足电机的静强度要求。

4 结论

本文通过对该型牵引电机的静强度计算，得出该型牵引电机结构强度满足标准的要求。

参考文献:

1. 王腾飞,肖绯雄,肖茂.基于BS 7608标准及利用结构对称性对转向架构架疲劳试验的强度评估[J].铁道机车车辆,2019,39(05):43-46+116.

2. 郭珍江,刘厚林,刘丰芹.基于有限元法的动车组行李架仿真分析与结构优化[J].电力机车与城轨车辆,2021,44(03):47-51.

3. 李朋,朱涛,王超,肖守讷.重载货车车钩强度非线性有限元仿真分析[J].机械制造与自动化,2021,50(03):90-94.

4. 谢素明,苑忠华,张相宁.基于英国标准的碳钢客车车体结构疲劳寿命评估[J].大连交通大学学报,2019,40(02):29-32

5. 许喆,李永华,盛自强,刘东亮.地铁车车体结构性能仿真分析[J].安阳工学院学报,2021,20(04):31-34+51.