直驱风力发电机轴与轴套纯过盈配合校核计算方法

刘友生 蒋雯雯

摘   要： 纯过盈配合是直驱风力发电机轴与轴套连接的一种常见形式，能够满足结构耐振、耐不均匀冲击和苛刻尺寸等要求，轴与轴套的配合公差是反映过盈量精准度的关键。提出一种传统经验法与有限元仿真相结合的过盈配合校核计算思路：首先，计算轴与轴套配合面传递荷载所需的过盈量，初步确定轴与轴套的配合公差;其次，校核配合公差达到最大过盈量时，轴与轴套配合面是否产生塑性变形;最后，基于ANSYS Workbench，进行有限元分析，在多种工况下对配合公差进行校核计算，并根据总体变形和综合应力仿真结果对配合公差进行修正。设计、生产的首批样机已经通过型式试验，与纯过盈配合相关的各项机械性能指标满足设计要求，且装机运行后保持运行状态良好，验证了该方法的准确性、实用性和可靠性。

关键词： 纯过盈配合;配合公差;塑性变形;结合应力;型式试验

中图分类号：TH133.2    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-070-06

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.013

引言

电机轴与轴套连接通常采用过盈配合的方式传递扭矩，以满足结构耐振、耐不均匀冲击、苛刻尺寸等要求。过盈配合的形式主要有两种。一种是轴与轴套连接采用轻微的过盈配合，并施加平键;另外一种是轴与轴套连接采用纯过盈配合。其中，在纯过盈配合连接方式中，轴与轴套的配合公差尤为关键，需要设计者提供精确的数据。这是因为如果轴与轴套连接的过盈量（即配合公差）过小，轴与轴套承受扭矩时会发生打滑，甚至导致扭断的后果;如果轴与轴套连接的过盈量太大，又会超出轴与轴套配合面所允许的最大有效过盈量，产生塑性变形，甚至导致轴套开裂、失效[1]。

目前，对于轴与轴套连接的过盈量，尚无明确的规范要求，也没有统一的计算方法。设计者通常采用经验法对过盈量进行确定，即首先通过经验公式求取所需的过盈量，再验算因过盈及离心力产生的应力是否在材料许用应力的限度内，这种方法的可靠性有待商榷[1-2]。许多设计者为了确保轴与轴套连接能传递扭矩，轴与轴套间不发生打滑、窜动[3]，根据经验加大了过盈量，显然给轴与轴套连接带来了又一隐患。

我公司有一款75 kW出口直驱风力发电机，采用纯过盈配合。轴伸上的花键为内花键，即轴伸为毂（轴套）。轴伸毂的内花键与轴整体加工工艺好坏成为决定轴的加工成本能否控制在合理区间、轴的生产能否批量化、轴的性能能否满足可靠性的主要因素。在实际生产过程中，首先加工轴伸毂的内花键，然后将轴与轴套过盈配合的连接方式视作一个整体进行设计和精加工，可以有效解决以上问题。此时，轴与轴套过盈配合的精准校核更加关键。

本文以我公司这款直驱风力发电机的轴伸为研究对象，首先通过传统的经验法计算轴与轴套配合面传递荷载所需的最小过盈量，初步确定轴与轴套的配合公差;然后进一步校核配合公差达到最大过盈量时，轴与轴套配合面是否产生塑性变形;最后基于ANSYS Workbench，对轴与轴套的配合公差进行仿真校核计算，根据仿真结果对配合公差进行优化，探讨纯过盈配合数据的准确性和可靠性。

1  基本参数

1.1  电机基本参数

轴转速n=62 r/min，电机额定功率Pn=75 kW。

轴材料为40Cr，屈服强度σsi=785 MPa，弹性模量Ei=210 GPa，泊松比0.3，弹性应变εa=0.393%。

轴套材料为42CrMo，屈服强度σsa=930 MPa，弹性模量Ea=210 GPa，泊松比0.3，弹性应变εa=0.465%。

刹车扭矩Tmax=21 360 N·m，轴向力Fa=56 000 N。

1.2  轴伸结构

轴与轴套过盈配合。轴与轴套结构示意简图如图1所示。

轴与轴套配合面直径df=120 mm，配合面长度lf=125 mm，轴套外径da=175 mm，轴表面光洁度Ra=1.6 μm，轴套内表面光洁度Ra=3.2 μm。载荷全部由过盈配合传递，焊接作为辅助手段，提高安全系数。配合方式选择轴与孔的配合。

2  轴与轴套配合面配合公差尺寸确定

轴与轴套过盈配合，通过其过盈量产生的摩擦力承受电机电磁扭矩施加在配合面的载荷。忽略温度变化的影响。

2.1  摩擦转矩

2.2  经法验轴与轴套的配合尺寸

根据经验，确定轴外径尺寸φ120 mm，轴套（毂）孔径尺寸φ120 mm，配合面长度lf=125 mm（考虑倒角及R角，取实际配合長度）。

3  轴与轴套配合公差确定及强度校核

3.1  计算配合面传递扭矩和轴向力所需最小压强

配合面传递扭矩和轴向推力所需最小压强满足

3.2  计算传递荷载所需的最小过盈量及最小直径变化量

3.2.1  轴套传递荷载所需的最小直径变化量

3.2.2  轴传递荷载所需的最小直径变化量

综上，确定轴外径尺寸mm，轴套与之配合内径尺寸mm是合适的。

4 基于ANSYS Workbench的仿真校核

4.1  总体思路

首先，利用SolidWorks软件创建轴与轴套装配体简化三维模型，如图2所示。然后，将模型导入ANSYS Workbench软件中，依次设置轴与轴套材料属性（图3），对模型进行网格划分（图4），最后加载载荷，实现静力学仿真（图5）。其中，轴材料设置为40Cr，轴套材料设置为42CrMo，网格划分采取分别划分的方式。

通过模型受力分析，轴与轴套过盈配合，构成轴伸结构，其配合面摩擦因数取0.15。考察四种受力情况，分别进行载荷加载：

（1）轴伸不受转矩影响时，考察轴与轴套分别在最小过盈量0.195 mm和最大过盈量0.250 mm情况下的受力情况;

（2）轴伸受最大转矩2.31×107 N·mm时，考察轴与轴套分别在最小过盈量0.195 mm和最大过盈量0.250 mm情况下的受力情况。

4.2  结果与讨论

4.2.1  仿真结果

（1）轴伸不受转矩影响，最小过盈量为0.195 mm时，轴与轴套受力运行，得到图6所示的云图。

（2）轴伸受最大转矩，最小过盈量为0.195 mm时，轴与轴套受力运行，得到图7所示的云图。

（3）轴伸不受转矩影响，最大过盈量为0.250 mm时，轴与轴套受力运行，得到图8所示的云图。

（4）轴伸受最大转矩，最大过盈量为0.250 mm时，轴与轴套受力运行，得到图9所示的云图。

4.2.2  讨论

分析图6～9的轴伸云图，将其结果汇总于表1。

根据总体变形和综合应力云图可知，最大应力发生在轴套内孔配合面根部区域。由表1知，当轴伸受最大转矩，最大过盈量为0.250 mm时，轴与轴套受到的应力最大，但满足设计要求：最大综合应力为420.78 MPa，安全系数[n]取1.5～2.0，那么n=σs/σ=930/420.78=2.21>[n];综合弹性应变εmax=0.221%，又因为轴的弹性应变为0.393%，轴套的弹性应变为0.465%，因此εmax<ε（取轴与轴套弹性应变孰小者）。轴伸的疲劳寿命Hf≥1×106 h，符合旋转受力部件许用疲劳寿命要求。

综上，校核计算得到的配合面公差尺寸符合设计要求，与传统计算结果一致。该型号直驱风力发电机首批样机已通过型式试验，轴伸处顺利通过堵转试验，轴与轴套配合公差的各项机械性能指标满足设计要求。目前，该电机已经出口欧洲，安全运行超过5年，运行状态良好，各项性能指标获得业主好评。

5  结论

（1）通过经验法可以计算得到轴与轴套配合面传递荷载所需的最小过盈量，进而初步确定轴与轴套的配合公差;

（2）基于ANSYS Workbench对轴与轴套的配合公差尺寸进行仿真校核，仿真结果与传统计算结果一致，能够合理确定軸与轴套不产生塑性变形所允许的最大有效过盈量;

（3）有限元仿真结合传统经验的方法可以有效求解轴与轴套过盈配合的校核计算问题，可以为轴与轴套的配合连接提供精准、可靠的配合公差。

参考文献

[1] 钱伟长. 电机设计强度计算的理论基础[M]. 合肥： 安徽科学技术出版社， 1992： 83-85.

[2] 杨万清， 陈兴卫. 电机实用设计技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2014： 159-161.

[3] 程绍坚， 方斌. 螺桨轴与轴套的过盈配合计算[J]. 船舶标准化工程师， 2017（6）： 52-56.

[4] 黄国治， 傅丰礼. 中小旋转电机设计手册： 第2版[M]. 北京：中国电力出版社， 2013： 412-415.

[5] 陈艳霞. ANSYS Workbench 18.0有限元分析从入门到精通[M]. 北京： 电子工业出版社， 2018： 408-477.

作者简介：

刘友生（1981—），通信作者，男，本科，副主任工艺师，从事电机工艺工装和电机机械结构设计工作。

E-mail： lysh2006@163.com

（收稿日期：2020-06-23）