水冷油浸式电磁涡流制动器旋转轴的优化设计

何 旭，张 力，刘宇辉，乔 目，李田君

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

水冷油浸式电磁涡流制动器是一种辅助制动装置，具有良好的性能，主要应用在石油钻机绞车上。其制动力矩大，在与绞车传动轴相联时，可以利用其改变滚筒转速，因此能够在较大的转速范围内实现平滑的无级调速，控制钻具的下放速度。文献[1]指出，电磁涡流制动器工作时转矩大、工作时间长，往往会使电磁涡流制动器激磁线圈产生大量的热量，如果结构设计没有达到最优，其应力较大且热量不能及时散发，将会使旋转轴损坏、失效，减少电磁涡流制动器的使用年限，严重的将会发生钻井作业安全事故。因此，对电磁涡流制动器旋转轴进行优化设计尤为必要。

1 水冷油浸式电磁涡流制动器旋转轴的分析

1.1 水冷油浸式电磁涡流制动器结构

水冷油浸式电磁涡流制动器由10个部分组成，分别为转子、定子、离合器、左入口管、右入口管、内部循环腔道、冷却水进水腔道、排油孔、排水孔、轴承座[2]。左、右入口管与冷却水进水腔道相连接。电磁涡流制动器的转子在定子外部旋转，定子由磁极和激磁线圈构成，激磁线圈是刹车工作电路的一部分，它固定于磁极上与磁极组成一个整体，定子和转子通过牙嵌离合器或齿式离合器与绞车滚筒轴相联，由绞车滚筒驱动。

1.2 电磁涡流制动器旋转轴的断裂原因分析

旋转轴通常由合金钢或碳素钢锻造而成。优质碳素钢是常见的轴材料，包括50碳素钢、45碳素钢和35碳素钢，其中45碳素钢的应用最为广泛[3]。由文献[4]可知，机械部件的疲劳裂纹往往是从部件的表层开始的，在粗糙的外部表面上会产生许多裂纹，当部件经受较大压力时，裂纹上会出现较多的疲劳源。外部电机带来的扭矩往往容易使轴发生断裂，断裂部位主要位于轴伸端直径为d1和d2部分相连接的轴肩台阶处(图 1)，轴的易断处使其横截面尺寸发生变化，这种变化是由严重的应力集中产生的，会造成轴的断裂。由文献[5]可知，应力集中不但能造成初始疲劳裂纹的产生，而且还能促使裂纹延伸，从而降低应力集中度。因此应合理设计电机轴结构，以降低应力集中。本文使用ANSYS软件对两种材料和两种结构方案的旋转轴进行疲劳应力分析，优化设计轴的结构，使轴的寿命得到提升。

图1 轴断裂位置

2 ANSYS软件分析不同材料轴的疲劳应力分布

以型号为DS45的电磁涡流制动器轴(额定转矩60 760N·m，额定功率10kW)为例(图 1)，d1=224mm，d2=216mm。轴通常采用45碳素钢或20CrMnTi材料制成。轴在断裂时的疲劳应力σ′为:

(1)

式中：A为疲劳断面总面积；An为疲劳断区总面积，An为A的8%～10%；σbn为材料缺口强度极限，取

σbn=1.2σb，σb为材料的拉伸强度。

由式(1)的计算结果可知，轴的断裂疲劳应力σ′远小于45碳素钢的屈服强度σs=360MPa(见表 1)，表明轴具有足够的刚度，因此轴的断裂是由于在高速循环应力下产生疲劳损伤而导致的，而轴受到的力主要是外部驱动力带来的径向力。

表1 材料的主要力学参数

表中ψ为应力系数，ετ为零件尺寸系数，R为轴肩台阶处过渡圆弧的半径。

(2)

(3)

(4)

式中：T为电机轴传递的额定转矩，N·m；Wp为零件危险截面的抗扭截面系数；τ-1为电机轴传递的扭转疲劳极限应力；β为表面质量系数；η为零件的安全系数；ψτ为一切应力种类系数；P为额定功率，kW；n为额定转速，r/min。

由表2可知，20CrMnTi的疲劳应力比45碳素钢的疲劳应力要大得多，说明电磁涡流制动器轴选用20CrMnTi材料时其疲劳寿命较选用45碳素钢时高。运用ANSYS软件对两种材料的轴进行有限元分析，借鉴文献[7]中的分析步骤，首先进行材料和元素的定义，然后划分网格(图2) ，在轴上增添分布负载转矩T(图3)，最后进行应力分析，得到两种材料的轴的应力云图如图4，5所示。

表2 式(3)计算得到的疲劳应力

图2 网格划分

图3 增添分布负载转矩T

图4 20CrMnTi轴应力云图

图5 45碳素钢轴应力云图

由图4，5可以看出，轴的最大应力出现在直径为d1与d2部分相连接的轴肩台阶处，20CrMnTi轴的应力为435MPa～528MPa，45碳素钢轴的应力为543MPa～633MPa，说明20CrMnTi材料轴的疲劳寿命高于45碳素钢轴。

3 不同结构轴的疲劳极限应力分布

以DS45电磁涡流制动器轴为设计原型，利用CAD软件设计出不同尺寸的过渡圆弧结构，再用UG软件建立电磁涡流制动器轴的三维有限元模型[8]，然后将模型导入ANSYS软件中进行有限元分析，得到两种不同结构轴的应力云图如图6、图7所示。对于同一材料不同的结构设计，控制疲劳裂纹源的产生才是延长轴使用寿命的主要方法[9]。通过对轴的变形动画观察发现，疲劳应力随R的增大而逐渐增大，且在轴肩台阶处产生的疲劳应力最大，疲劳裂纹源于此处。通过减少部件的有效应力集中系数kτ来提升部件的表面质量系数β，可以有效地提高其使用寿命[10]。观察图6、图7发现，不同结构轴的最大应力都出现在直径为d1与d2部分相连接的轴肩台阶处，有过渡圆弧(R=3mm)轴的应力为556MPa～665MPa，无过渡圆弧轴的应力为568MPa～679MPa，故建议电磁涡流制动器旋转轴采用有过渡圆弧的结构。

图6 20CrMnTi有过渡圆弧(R=3mm)轴应力云图

图7 20CrMnTi无过渡圆弧轴应力云图

4 结论

本文通过对电磁涡流制动器旋转轴材料与结构的改进，使轴的耐用性得到提升，使用寿命、维修周期变长，减少了维护次数，节约了维护成本。通过分析得到以下结论：

1)扭转和弯曲作用下的高速循环应力是造成轴断裂的主要因素。

2)轴的疲劳应力起源于轴肩台阶处，由局部应力集中产生，经过计算和ANSYS仿真模拟可知，轴的材料应选用20CrMnTi，并将轴肩台阶处设计过渡圆弧。

3)优化设计后的20CrMnTi轴的使用寿命比原轴寿命可延长2～3年。

参考文献：

[1] 李德福，刘建梅，付占新.水冷式电磁刹车冷却系统分析及改进[J].中国石油和化工标准与质量,2012(11):237-238.

[2] 陈明元，王志君. 水冷油浸式电磁涡流制动器：201210333690.3 [P].2012-09-11.

[3] 胡世炎.机械失效分析手册[M].成都：四川科学技术出版社，1989.

[4] 王德俊.机械设计手册 [M].2版.北京：机械工业出版社，2001.

[5] 谭刚强.DS45型电磁涡流制动器试验情况[J].石油钻采机械,1985 (11):259-269.

[6] 曾翠华，廖海平.电机轴结构优化设计[D]:广州：广东工业大学，2004.

[7] 赵少汴.多轴疲劳的应变- 寿命曲线[J].机械强度，1999,21(4):305-306.

[8] 颜云辉， 谢里阳.结构分析中的有限单元法及其应用[M].沈阳：东北大学出版社，2000.

[9] CHEN K C, YEH C S. Extended irreversible thermodynamics approach to magnetorheological fluids[J]. Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics，2001(4):355-372.

[10] CHIEN W Z. Torsional stiffness of shells of revolution[J]. Appl. Math. Mechanics, 1990(11): 403-412.