一、文献综述
1、目前现状
某一生产汽车零配件的专业厂家,各种金属加工机床每天运转时间达 12 小时,机床零件的失效量很大.根据多年来金属加工机床用 Y 系列三相异步电机轴的维修更换情况,该系列电机轴的断口位置位于电机轴轴伸端直径为 d1 和 d2 的台阶处(图 1). 修配一台电机轴的费用是更换一台新电机轴成本的12%.因此提高维修电机的使用寿命可以大大降低工厂机床维护费用.
电机轴断裂位置(图1)
2、断裂原因分析
以金属加工机床 Y 系列 YEJ132M-4 三相异步电机为列.电机轴断口的形貌见图 2.断口呈灰色,比较平整,无明显塑性变形,断口面与电机轴轴线垂直.断口为典型的疲劳破坏,其上有三个不同的区域:(1)带状区为疲劳源区,初始裂纹由此形成并扩展开去;(2)光滑区为疲劳扩展区,有明显的裂纹传播所形成的痕迹, 在裂纹扩展过程中,由于应力反复交变,裂纹时张、时合,类似研磨过程,从而形成疲劳断口上的光滑区;(3)粗糙区为突然断裂的颗粒状区域,是脆性断裂的特征.带状区比较薄,厚度约 1mm 左右,沿断口圆周方向分布;光滑区颜色比较光亮,面积约占断口总面积的 10%;粗糙区颜色比较灰暗,约占断口总面积的 90%.光滑区为疲劳裂纹稳态扩展区,粗糙区为最终瞬断区.
断口形貌(图2)
电机轴的断裂面存在着截面尺寸的急剧变化, 因此该处必然产生严重的应力集中,而断裂处的台阶过渡圆弧半径 R 是产生应力集中的重要影响因素.
应力集中的存在不仅促使初始疲劳裂纹的形成,而且促使裂纹的扩展,从而降低零件的疲劳极限,因此合理设计电机轴结构可以降低应力集中.
文献[2]指出,进行结构设计时,所选用的电机轴材料应具有良好的抗疲劳性能.提高材料纯度,减少夹杂物,将大大提高其疲劳强度,特别是高周疲劳.因为材料纯度的提高,裂纹形成寿命加长,高周疲劳的裂纹形成寿命占总寿命的比值较大.因此合理地选择材料是疲劳强度设计应考虑的一个重要问题.此外,由于机械零件的疲劳裂纹常始于表层,粗糙的表面存在很多缺口,当机械零件在承受载荷时, 疲劳源也就较多地自表面缺口开始.所以强化表层也是提高零件疲劳强度的有效方法.
综合考虑影响疲劳寿命的因素,本文选用了两种材料两种热处理方案估算电机轴的疲劳应力,并用Solidworks软件模拟疲劳应力.从而对电机轴的结构进行优化设计,结合合理的机械加工工艺和安装工艺,可以提高电机轴的疲劳寿命.
二、论文提纲
(一)Y 系列三相异步电机电机轴疲劳破坏应力和疲劳强度估算
1、估算电机轴疲劳破坏应力
2、电机轴疲劳强度计算
(二)Solidworks软件分析电机轴的疲劳极限应力
(三)结论
三、参考文献:
[1]胡世炎等.机械失效分析手册[M].成都:四川科学技术出版社,1989.
[2]王德俊.机械设计手册(第二版)[M].北京:机械工 业出版社.
[3]彭鸿才.电机原理及拖动(第一版)[M]. 北京:机械工业出版社,1997.
[4]尚德广等.随机疲劳寿命预测的局部应力应变场强 法[J].机械工程学报,2002,38(1).
[5]周荣,刘继承.汽车车轮弯曲疲劳实验计算机仿真[J]. 试验与研究,2000,(1):31~33.
[6]颜云辉,谢里阳.结构分析中的有限单元法及其应用[M].哈尔滨:东北大学出版社,2000.
[7]Finite Element Software, Version 5.6, 2000 (ANSYS).
[8]ANSYS, Inc. ANSYS Structural Analysis Guide [Z ],
[9]Daghyani, H. R., Hosseini, H. and Eshaghi, S. Fracture behaviour of repaired panels[C]. 1st International Conference on Advanced Structural Engineering and Mechanics, Seoul,Korea, 23–25 August 1999, pp. 1291~1296.
[10]Chien, W. Z. Torsional stiffness of shells of revolution [J]. Appl. Math. Mechanics, 1990(11): 403~412.
电机轴优化设计由毕业论文网(www.huoyuandh.com)会员上传。