电动机吊座的结构分析

金广柱，段友斌

(佳木斯技师学院，黑龙江佳木斯154002)



电动机吊座的结构分析

金广柱，段友斌

(佳木斯技师学院，黑龙江佳木斯154002)

摘要阐述了利用Pro/E软件进行了电机吊座实体建模，并利用Pro/E软件强大的有限元分析功能进行了结构分析、动静力学分析、疲劳强度预测的过程，并利用以上的构建模型及分析结果，对电机吊座进行了一定的结构分析和优化。

关键词电机吊座；Pro/E；结构分析

0引言

随着我国经济的发展，特别是高铁、地铁、机车及其他很多交通工具类型全部由蒸汽型机车转变成电力机车、电传动内燃机车。实现了电机应用到机车之上，特别是火车经过几次大的提速之后，由于速度的提高加大了悬挂电机的振动，使机车的牵引电动机吊座经常出现故障及断裂，如何避免吊座的断裂和预测其疲劳强度并进行结构优化是电机厂亟需解决的问题之一，传统的方法是采用传统的估计公式的设计方法定型电机吊座，并把产品投放市场，经市场反馈及时确定产品改型方案。由于其周期长，需经过数年时间，同时也会产生极大的负面影响：(1)是对产品声誉造成巨大的损害；(2)是往往产品还没重新优化改型，产品已经下线。因此如何在设计之初直接进行优化设计并预测疲劳强度是一个亟待解决的问题。近年来随着大型软件Pro/E的普及以及Pro/E软件产品有限元分析并进行产品优化功能的应用逐渐兴起，不但能使用Pro/E进行产品设计还能使用Pro/E软件对新产品在设计之初进行设计分析优化成为可能，大大的缩短了新产品投放的时间，保证了产品在结构最优最节省材料的情况下，最快的投放市场。本文主要介绍了如何利用功能强大的Pro/E软件对火车电机吊座进行结构和力学分析并进行产品结构分析和部分优化。

1建立模型

1.1首先利用Pro/E强大的三维建模功能根据工程尺寸图1进行实体拉伸、打孔、拔模斜度、倒圆角，建模电机吊座，如图2。

1.2创建载荷

进Pro/E下应用程序选MECHANICA →每个内孔表面力取350 kN确定(7t冲击力每孔3500kg)。

1.3分配材料

进Pro/E进应用程序选MECHANICA进模型类型进行材料分配，编辑材料属性：铸造成型，拉伸屈服应力为345Mpa；抗张极限应力为400Mpa;材料类型→低合金钢Q235A;表面光洁度:铸造成型;弹性模量E为210GPa,泊松比μ=0.3，材料密度7.86kg/dm3。

1.4创建网格

单击上文已建模好的文件b.prt→应用程序→MECHANICA创建最小角5.08，最大角148.39生成632条边，831个面网格。

通过以上步骤基本完成了电机吊座的分析前的参数设置准备工作，为下一步Pro/E分析做好了铺垫工作。

2结构分析

在实际工作中电机吊座双耳经常出现断裂及耳孔破裂，通过分析电机吊座模型及工程图(如图1)的零件外观及结构可以看出其受力区域主要在双耳，需要优化的尺寸主要有两个：(1)双耳厚度30；(2)双耳外径尺寸R50。在这两个尺寸中厚度这个尺寸的大小决定着电机吊座的结构是否合理，材料使用寿命是否符合要求，受力是否满足要求等。本文主要利用Pro/E应用程序MECHANICA进行“有限元方式”分析，并进行以下结构强度；结构分析；疲劳预测分析三方面研究。

2.1静态分析

选用菜单栏中的分析下MECHANICA命令进行静态分析，经过几分钟分析完成静态分析后得到电机吊座的模型应力条纹图,如图3所示；变形量曲线,如图4所示.通过分析厚度大于26mm均满足要求。所以此设计厚度在允许范围内。

2.2模态分析

退出以上结果窗口,进入Pro/E应用程序MECHANICA下分析和设计,选择模态分析命令对模型进行模态分析并显示出现的问题，图5是模型的变形条纹图,通过分析双耳耳环及双耳根部受力最大，极易损坏。

2.3疲劳分析

退出模态结果显示窗口,进入菜单栏中的文件下疲劳分析命令，选择分析选项卡进行疲劳分析的创建进行疲劳分析，经过分析显示寿命条纹图见图6；显示破坏条纹图见图7；显示安全系数条纹图见图8；显示寿命置信度条纹图见图9。经过分析在上面的结构设计上疲劳强度以铸造为工艺，有效期天数为7864天；工艺如采用锻造天数为8752天；工艺采用表面抛光则27654天。一般由于铸造成型成本低，因此可采用铸造成型，但应预测疲劳强度，并规定报废年限，在其达到报废年限时立即更换报废，防止造成更大损失(如电机吊座达到报废年限，没有及时更换，造成电机吊座断裂，由于是悬挂式电机可能造成电机掉落损坏或人身伤害)是非常关键和必要的。

2.4敏感度分析

退回分析和设计研究对话框,选择新建标准设计研究命令,在3D模型中显示吊耳厚度尺寸30输入变化量20,随后进行敏感度分析显示出分析的结果：应力随吊耳厚度变化条纹图，如图10；最大应力随吊耳厚度变化曲线，如图11。从图11中可知厚度30对应最大应力为提速前320Mpa(提速后340 Mpa),接近最大应力345 Mpa，尤其提速后应力已接近极限，如果动应力达到极限极易断裂，因此应进行改进或优化。

3结构分析及优化

回到分析和设计研究对话框，进入新建优化设计研究下的优化选项，定义极限列表框中数值200。选中3D模型中的吊耳尺寸30，结果窗口中显示变形与吊耳厚度变化条纹图，如图12，通过测量选项双耳根部尺寸为41.61顶部尺寸为32.1最终在其他尺寸不变的情况下确定双耳顶部尺寸厚度为32,完成优化设计分析．最后进行零件升级完成优化后模型图13。重新进行敏感度实验双耳厚度变为32后，其最大应力315 Mpa远远低于345Mpa，且其疲劳强度比原来略有提高，此零件合格。

4结语

本文利用Pro/E软件通过对电机吊座的有限元分析得出电机吊座产生断裂愿因主要有两个：(1)提速后机车运行过程中冲击载荷(即动应力)过大导致断裂；(2)疲劳强度造成断裂。

结构优化后达到以下结果：(1)通过改变厚度尺寸即将吊座厚度从30改为32，虽然增加了材料质量并增加成本，但大大的提升了电机吊座双耳的强度系数避免了因提速后机车运行过程中冲击载荷过大导致断裂；(2)预测了疲劳强度及其提高方法即用规定报废时间20年或进行抛光使其寿命达到70年，从而避免疲劳强度造成断裂，使产品由不可控随时有断裂的危险变为可控的报废年限。因此其安全性的提高所带来的价值无法估量的。

Pro/E软件有限元分析方法不仅对电机吊座能进行有限元分析和结构分析和一定的优化而且对同类产品也具有极大的推广作用。

参考文献

[1]刘坤.Pro/MECHANICA有限元方法精解.北京：国防工业出版社，2005.

[2]萨殊利. 机车总体与走行部. 北京：北方交通大学出版社，2003.

[3]李霞.SS4改进型机车牵引电机悬挂座出现裂纹的原因探讨及改进建议.机车电传动，2004.

[4]张思.振动测试与分析技术.北京：清华大学出版社，1992.

[5]杜平安，甘娥忠，于亚婷.有限元法原理、建模及应用.北京：国防工业出版社，2004.

Structural Analysis on Lifting Socket of Motor

JinGuangzhuandDuanYoubin

(Jiamusi Technician College, Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper describes modeling of motor lifting socket by software Pro/E, and the processes of structural analysis, dynamic and static analyses, fatigue strength prediction based on powerful finite-element analysis function of Pro/E. A certain structural analysis and optimization of motor lifting socket are carried out based on the above analysis results of model.

Key wordsLifting socket of motor；Pro/E；structural analysis

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.06

中图分类号：TM303

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)03-0020-004

作者简介：金广柱男1966年生；毕业于佳木斯大学(原工学院)机械制造与工艺专业，现从事模具结构和设计等方向研究.

收稿日期：2016-04-27