偏心及共振对航空高速电机轴的疲劳研究

发布时间：2017-07-26 17:25

  本文关键词：偏心及共振对航空高速电机轴的疲劳研究

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【摘要】：在现代轴类零件疲劳寿命研究中,由于安装误差而引起两轴承之间不对称产生偏角的研究已经有很多且很成熟,但是由于振动以及安装误差而引起轴端的偏心对轴的疲劳寿命研究分析很少,且针对偏心及振动提出一个普遍实用的解决方法也很少。所以对轴类零件进行共振验证以及轴端偏心对疲劳寿命的影响研究具有十分重要的意义。本文通过对断轴断面形貌断裂纹理分析,得到了此轴类零件断裂主要是由于偏心、振动、断口端面在旋转的同时承受弯矩共同作用,断裂性质均为扭矩剪切应力作用下形成的过载断裂。对电机转子进行转子动力学分析,得到了转子的三阶临界转速1565.5r/min,22558r/min,22765r/min,与电机转速11076r/min对比,接近转速安全裕度分别为85.8%和50.9%,均大于危险裕度10%,研究说明了电机转子不会因为临界转速与额定转速接近而发生共振影响轴的疲劳寿命,同时通过模态仿真分析与固有频率试验分析验证了仿真与试验数据的准确性同时也说明了电机不会因为固有频率而引起共振对轴疲劳寿命产生影响。对轴伸端进行实际偏心及应力理论计算,实际极限偏心为0.125mm,轴上薄弱处应力值大小为785.44mpa,通过ANSYS有限元仿真分析软件对航空电机主轴进行模拟工况边界条件应力分析得到轴上薄弱处应力大小为752mpa,验证了计算结果与仿真分析的准确性,为主轴应力设计提供了可参考依据。查阅航空材料手册得到了30Cr Mn Si材料的疲劳寿命曲线,并求得了曲线上13个应力点对应的疲劳寿命循环次数,根据断轴处应力大小和S.N曲线拟合得到断轴处的疲劳寿命为20674个周期。针对在偏心及振动对轴类零件疲劳寿命的影响,提出了轴承在预紧力下及在轴承与衬套之间添加橡胶垫圈起到减振及偏心固定端转移的目的使轴类零件寿命得到了大大的提高,并且通过每200h记录电机前端、后端、后端侧面振动的方法对电机进行了1500h的寿命实验,且电机各部件仍能正常工作。通过理论有限元仿真让改善前后轴上薄弱处应力对比,未加橡胶圈时轴上薄弱处应力为785.44mpa,加了橡胶圈后轴上薄弱处应力大小为95.78mpa,说明在相同极限偏心0.125mm下,轴承与衬套接触面开槽加橡胶圈的方法使轴上薄弱处应力大大的减小。为今后轴类零件提高疲劳寿命的实际运用方法研究提供了可参考的理论依据。
【关键词】：偏心 共振 理论验证 有限元仿真 疲劳寿命
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V229.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 研究的背景与实际生产意义8
• 1.2 金属材料疲劳断裂的发展历程8-10
• 1.3 轴类零件疲劳断裂的研究状况10-11
• 1.4 现代研究中存在的不足11
• 1.5 课题来源和研究内容11-14
• 1.5.1 课题来源11-12
• 1.5.2 研究内容12-14
• 第二章 疲劳破坏机理及寿命研究方法14-20
• 2.1 疲劳破坏过程14
• 2.2 断轴端面形貌分析14-17
• 2.2.1 断轴端面形貌宏观分析15
• 2.2.2 断轴端面形貌微观分析15-17
• 2.3 疲劳寿命研究方法17-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第三章转子振动特性研究20-31
• 3.1 前言20
• 3.2 有限元分析法理论20
• 3.3 转子模态分析与实验验证20-26
• 3.3.1 转子模态分析20-23
• 3.3.2 模态试验23-26
• 3.3.3 模态分析与试验验证结果比对分析26
• 3.4 转子动力学分析26-30
• 3.5 本章小结30-31
• 第四章偏心对轴寿命的影响研究31-48
• 4.1 偏心产生的原因及大小31-33
• 4.1.1 轴四方与机壳轴向对称度31
• 4.1.2 定子止.公差31-32
• 4.1.3 四方轴线与定子中心轴线同轴度32
• 4.1.4 止.端面垂直度32-33
• 4.2 轴上薄弱处应力计算33-37
• 4.2.1 模型简化33-34
• 4.2.2 轴伸段极惯性矩确定34-36
• 4.2.3 轴伸端薄弱处应力计算36-37
• 4.3 对轴进行有限元应力仿真37-40
• 4.3.1 轴模型确定37
• 4.3.2 材料确定37
• 4.3.3 轴的网格划分37-39
• 4.3.4 添加边界条件39
• 4.3.5 有限元仿真结果39-40
• 4.4 轴疲劳寿命结果分析40-45
• 4.4.1 疲劳寿命曲线40-44
• 4.4.2 疲劳寿命仿真44-45
• 4.5 不同偏心量对轴疲劳寿命的影响45-47
• 4.6 本章小结47-48
• 第五章电机轴寿命试验研究48-72
• 5.1 前言48
• 5.2 改进试验48-68
• 5.2.1 试验设备概况49-50
• 5.2.2 实验结果记录与描述50-68
• 5.3 改进接触关系仿真验证68-71
• 5.3.1 仿真前处理68-69
• 5.3.2 结果对比分析69-70
• 5.3.3 结果优化原因分析70-71
• 5.4 本章小结71-72
• 结论及展望72-74
• 1.主要结论72-73
• 2.未来展望73-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-78
• 附录A 攻读硕士学位论文期间发表论文与成果目录78

【参考文献】

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1 曾翠华,廖海平;电机轴结构优化设计[J];机电设备;2005年02期

2 施永江;机械装备的失效分析[J];林业机械与木工设备;2003年07期

3 邬华芝,郭海丁,高德平;疲劳破坏寿命的概率统计方法研究综述[J];强度与环境;2002年04期

4 孙红岩;张小龙;;基于ANSYS软件的转子系统临界转速及模态分析[J];机械制造与自动化;2008年04期

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1 宋川;轴类部件旋转弯曲微动疲劳损伤分析及试验模拟[D];西南交通大学;2013年

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本文编号：577528