楊寄誠(chéng)，成志強(qiáng)，王凱一，刁露陽(yáng)，柳葆生

（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院 應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接裝配殘余應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

楊寄誠(chéng)，成志強(qiáng)，王凱一，刁露陽(yáng)，柳葆生

（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院 應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

為減小電機(jī)轉(zhuǎn)子工作時(shí)的溫度應(yīng)力，電機(jī)工程師應(yīng)用膨脹節(jié)原理，設(shè)計(jì)兩根彎導(dǎo)條和一根直導(dǎo)條的組合結(jié)構(gòu)代替原來(lái)的直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)。采用切割法釋放此結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子的殘余應(yīng)變，應(yīng)用應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，并與同樣材料和直徑的直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，分析彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)變的影響。研究結(jié)果表明：彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)對(duì)端環(huán)環(huán)向殘余應(yīng)變的大小和不均勻度影響有限，但對(duì)直導(dǎo)條殘余應(yīng)變的影響較大，導(dǎo)致其應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差相比直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子增加15.5倍，最大殘余應(yīng)變?cè)龃?.12倍。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

電機(jī)轉(zhuǎn)子；直導(dǎo)條；彎導(dǎo)條；殘余應(yīng)變

0 引 言

牽引電機(jī)廣泛用于各種機(jī)車(chē)和電動(dòng)車(chē)輛。電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主要受到離心力、溫度應(yīng)力、電磁力等工作載荷[1]，與工作載荷產(chǎn)生的應(yīng)力相比，焊接裝配殘余應(yīng)力不可忽略[2]。盡量減小由工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力組成的總應(yīng)力，是電機(jī)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。長(zhǎng)期、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，溫度通常遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度[3]。為減小溫度應(yīng)力，電機(jī)工程師應(yīng)用膨脹節(jié)原理，引入彎曲導(dǎo)條結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩根彎導(dǎo)條和一根直導(dǎo)條的組合單元結(jié)構(gòu)（圖1），以代替原來(lái)的直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)（圖2）。但這種彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)對(duì)焊接裝配殘余應(yīng)力/應(yīng)變的影響尚待研究。

目前傳統(tǒng)殘余應(yīng)力的測(cè)量方法可分為機(jī)械釋放測(cè)量法和無(wú)損測(cè)量法兩種。機(jī)械釋放測(cè)量法是將具有殘余應(yīng)力的部件從構(gòu)件中分離或切割出來(lái)使應(yīng)力釋放，由測(cè)量其應(yīng)變的變化求出殘余應(yīng)力，該方法會(huì)對(duì)工件造成一定的損傷或者破壞，主要包括鉆孔法、環(huán)芯法、分割切條法等。無(wú)損測(cè)量法即物理檢測(cè)法，主要有X射線法、X射線衍射法、超聲法和磁性法等[4]，測(cè)試過(guò)程對(duì)被測(cè)件無(wú)損害。馬小明等[5]采用盲孔法測(cè)試水冷壁管殘余應(yīng)力；Zhao等[6]同樣用盲孔法測(cè)試混合鋼加筋板的殘余應(yīng)力分布；Gardner L等[7]用分割切條法測(cè)試了激光焊接工型截面不銹鋼的殘余應(yīng)力；陳懷寧等[8]分析了壓痕應(yīng)變法測(cè)量殘余應(yīng)力的不確定度；譚鵬程等[9]比較了環(huán)切法和環(huán)心法在測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸表面殘余應(yīng)力的差異。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子特有結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，本文采用精度較高、技術(shù)成熟的分割法測(cè)試彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子中導(dǎo)條和端環(huán)的殘余應(yīng)變，并與直導(dǎo)條電機(jī)轉(zhuǎn)子的測(cè)試結(jié)果[10]進(jìn)行對(duì)比。

圖1 彎直導(dǎo)條組合電機(jī)轉(zhuǎn)子

圖2 直導(dǎo)條電機(jī)轉(zhuǎn)子

圖3 測(cè)點(diǎn)分組圖

1 測(cè)試方案

殘余應(yīng)變測(cè)試的電機(jī)轉(zhuǎn)子試件為彎直組合導(dǎo)條結(jié)構(gòu)。未安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)子試件如圖1所示。兩端環(huán)通過(guò)60根導(dǎo)條連接，其中兩根彎導(dǎo)條和一根直導(dǎo)條組成一組彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)單元，60根導(dǎo)條由20組這樣的結(jié)構(gòu)單元組成（見(jiàn)圖1中的圓圈標(biāo)識(shí)）。轉(zhuǎn)子橫向切割線位置的選取，需兼顧應(yīng)力釋放和鋸床的操作空間，測(cè)試選取圖1中標(biāo)識(shí)的離端部162mm的劃線位置。

應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)的布置位置如圖1所示，測(cè)點(diǎn)1位于端環(huán)內(nèi)測(cè)，沿環(huán)向布置一枚單向應(yīng)變片；測(cè)點(diǎn)2、4位于兩根彎導(dǎo)條的徑向面上，各布置一枚L形片，L形片中的一枚單向片沿斜軸方向，一枚沿徑向；測(cè)點(diǎn)3位于直導(dǎo)條的外圓面上，沿軸向布置一枚單向應(yīng)變片。

轉(zhuǎn)子試件的導(dǎo)條共60根，兩根彎導(dǎo)條、一根直導(dǎo)條以及相應(yīng)區(qū)域的端環(huán)為一組“測(cè)試單元”。本次測(cè)試共有4組“測(cè)試單元”，分別位于環(huán)向的0°，90°，180°，270°的位置，兩兩對(duì)稱。 第 1 組“測(cè)試單元”的測(cè)點(diǎn)編號(hào)為 1，2，3，4，第 2 組單元測(cè)點(diǎn)編號(hào)為 5，6，7，8，依次類推。 其中，1，5，9，13 為端環(huán)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)，3，7，11，15 為直導(dǎo)條測(cè)點(diǎn)的編號(hào)，2，4，6，8，10，12，14，16為彎導(dǎo)條測(cè)點(diǎn)的編號(hào)。在完成應(yīng)變片的貼片工作后，用702硅膠對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行封裝，以進(jìn)行防水處理[11]。把測(cè)試片、溫度補(bǔ)償片與DDS32動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀組成半橋測(cè)試橋路后，用行吊把轉(zhuǎn)子試件吊裝到鋸床的操作臺(tái)上，在未上緊夾具前，測(cè)試各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的初值，作為基準(zhǔn)應(yīng)變值。

2 殘余應(yīng)變對(duì)比分析

首先沿著圖1所示離端部162mm的劃線位置，用鋸床橫向鋸開(kāi)轉(zhuǎn)子，記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值；然后沿圖3中的白色切割線依次鋸開(kāi)，以解體端環(huán)，并記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。兩種切割狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，可與之前直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

彎直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子橫截面和端環(huán)均被切開(kāi)后，彎導(dǎo)條的徑向應(yīng)變?cè)?295.2～60.3με之間，彎導(dǎo)條的軸向應(yīng)變?cè)?310.8～310.7με之間，遠(yuǎn)小于直導(dǎo)條-1253.2～1650.2με的軸向應(yīng)變。這是由于彎導(dǎo)條的殘余變形主要由彎曲處承擔(dān)，端部測(cè)點(diǎn)較小的殘余應(yīng)變值是合理結(jié)果。同時(shí)也說(shuō)明，彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)中的直導(dǎo)條遠(yuǎn)比彎導(dǎo)條危險(xiǎn)，是該重點(diǎn)分析的對(duì)象。

由于發(fā)生斷裂的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條通常是應(yīng)力最大的導(dǎo)條，而應(yīng)力分布不均則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)條的最大應(yīng)力增加。為對(duì)比分析兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中導(dǎo)條的殘余應(yīng)變分布不均的程度，文章采用標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法加以計(jì)算：

式中：N——數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；

εi——單個(gè)測(cè)試應(yīng)變值；

εa——這組應(yīng)變數(shù)據(jù)的平均值；

Δε——標(biāo)準(zhǔn)差。

為方便討論，將直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)子稱為試件A，將彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)子稱為試件B。兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)直徑相同，材料相同，預(yù)烘烤工藝相同。兩組測(cè)試采用同樣的切割方法和應(yīng)變儀。試件A沿環(huán)向相隔60°布置應(yīng)變片，試件B沿環(huán)向相隔90°布置應(yīng)變片。由于試件A環(huán)向60°直導(dǎo)條測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片在切割過(guò)程中損壞，故圖4和圖5缺少60°處的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖4 轉(zhuǎn)子橫向鋸斷后，試件A、B中直導(dǎo)條的軸向殘余應(yīng)變分布

2.1 橫向鋸斷轉(zhuǎn)子后直導(dǎo)條的應(yīng)變釋放

轉(zhuǎn)子被橫向鋸斷后，試件A、B直導(dǎo)條測(cè)點(diǎn)在各環(huán)向位置應(yīng)變變化如圖4所示。與試件A相比，試件B各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變的變化明顯加劇，試件B的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差是339με，試件A的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差是110με，試件B的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差是試件A的3.1倍，參見(jiàn)表1。

圖5 解體端環(huán)后，試件A、B中的直導(dǎo)條的軸向殘余應(yīng)變分布

表1 試件A和B所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差

相比試件A直導(dǎo)條的軸向應(yīng)變區(qū)間254.3～540.6με，試件B直導(dǎo)條的軸向應(yīng)變區(qū)間增大至125.7～850.2με。試件B的最大拉應(yīng)變850.2με比試件A的540.6με增大了57%。由于直導(dǎo)條左右側(cè)的彎導(dǎo)條與端環(huán)的焊接殘余應(yīng)力存在差異，致使某些彎導(dǎo)條擠壓沖片，使得沖片環(huán)向擠壓直導(dǎo)條，導(dǎo)致附加的彎曲應(yīng)變，因此彎直組合結(jié)構(gòu)中直導(dǎo)條的最大應(yīng)變850.2με，大于直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的540.6με。在彎直結(jié)構(gòu)組合單元中，兩根彎導(dǎo)條的折轉(zhuǎn)方向兩兩相對(duì)（參看圖2），使得沖片與直導(dǎo)條的接觸力增大，橫向鋸斷轉(zhuǎn)子后，殘余應(yīng)變釋放不充分，因此釋放出的最小應(yīng)變125.7με小于直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)的254.3με。

2.2 解體端環(huán)后直導(dǎo)條的應(yīng)變釋放

解體端環(huán)后，所有的約束得以解除，殘余應(yīng)變得到充分釋放。環(huán)向各角度下，試件A、B直導(dǎo)條的殘余應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。與試件A相比，試件B直導(dǎo)條各測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變變化明顯加劇，試件B的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差是1208με，試件A的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差是73με，試件B的應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差比試件A增大了15.5倍，參見(jiàn)表1。

對(duì)試件B而言，沿切割線鋸斷端環(huán)后，直導(dǎo)條的最大軸向殘余應(yīng)變位于第2組直導(dǎo)條（即圖5中的90°導(dǎo)條），由 850.2με增加至 1650.2με，即釋放出 800.0με的殘余應(yīng)變。最小殘余應(yīng)變位于第4組直導(dǎo)條（即圖5中的270°導(dǎo)條），由受拉的應(yīng)變量125.7με變?yōu)槭軌旱臍堄鄩簯?yīng)變-1253.2με，應(yīng)變變化量的絕對(duì)值為1378.9με。

圖6 解體端環(huán)后，試件A、B中端環(huán)的環(huán)向殘余應(yīng)變分布

對(duì)試件A而言，沿切割線鋸斷端環(huán)后，直導(dǎo)條的軸向殘余應(yīng)變區(qū)間為331.9～529.7με。與轉(zhuǎn)子被橫向鋸斷后試件A直導(dǎo)條的軸向應(yīng)變區(qū)間254.3～540.6με相比，并無(wú)顯著變化。

試件A、B直導(dǎo)條測(cè)點(diǎn)在鋸斷端環(huán)后的應(yīng)變釋放差異，是由于其結(jié)構(gòu)的差異造成的。首先，彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)中，彎導(dǎo)條的折轉(zhuǎn)導(dǎo)致某些沖片與直導(dǎo)條接觸力顯著增加，橫向鋸斷轉(zhuǎn)子后，殘余應(yīng)變?nèi)晕闯浞轴尫?。在鋸斷端環(huán)，解體轉(zhuǎn)子后，殘余應(yīng)變才得到完全釋放。其次，彎直組合結(jié)構(gòu)中，彎導(dǎo)條沿折轉(zhuǎn)方向的焊接裝配殘余應(yīng)力使得端環(huán)沿軸向的變形不均勻。鋸斷端環(huán)釋放其軸向殘余變形后，使得直導(dǎo)條測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變得到進(jìn)一步釋放，甚至拉壓逆轉(zhuǎn)。端環(huán)軸向變形的釋放，導(dǎo)致試件B的最大殘余應(yīng)變達(dá)到1650.2με，相比試件A的529.7με，增大了212%，使得殘余應(yīng)力對(duì)導(dǎo)條工作總應(yīng)力的相對(duì)貢獻(xiàn)量急劇增加。

2.3 端環(huán)的應(yīng)變釋放

橫向鋸斷轉(zhuǎn)子后，B試件端環(huán)測(cè)點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變值的區(qū)間為6.3～90.5με。由于端環(huán)的殘余應(yīng)變主要來(lái)源于環(huán)向約束，而橫向切斷轉(zhuǎn)子釋放的僅是軸向自由度，對(duì)環(huán)向基本沒(méi)有影響。解體端環(huán)后，試件B端環(huán)測(cè)點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變值變化顯著，參見(jiàn)圖6。殘余應(yīng)變值在621.4～935.6με之間，均為拉應(yīng)變，標(biāo)準(zhǔn)差為153με（參看表1）。試件A端環(huán)測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變值在515.3～964.3με之間，亦均受拉，標(biāo)準(zhǔn)差為170με。試件A、B端環(huán)的最大殘余應(yīng)變值及應(yīng)變分布標(biāo)準(zhǔn)差都非常近似，說(shuō)明彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)對(duì)端環(huán)殘余應(yīng)變的影響有限。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章采用切割法釋放彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子的殘余應(yīng)變，應(yīng)用應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，定量評(píng)估此結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)條、端環(huán)殘余應(yīng)變的影響。研究結(jié)果表明：彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)對(duì)端環(huán)環(huán)向殘余應(yīng)變的大小和不均勻度影響有限，但對(duì)彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)中的直導(dǎo)條影響較大，導(dǎo)致其標(biāo)準(zhǔn)差相比直導(dǎo)條結(jié)構(gòu)增加了15.5倍，最大殘余應(yīng)變?cè)龃罅?.12倍，焊接裝配殘余應(yīng)力對(duì)于導(dǎo)條總應(yīng)力的相對(duì)貢獻(xiàn)量顯著增加。在彎直導(dǎo)條組合結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，不僅需考慮此結(jié)構(gòu)對(duì)減小溫度應(yīng)力的作用，亦需考慮由此結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的殘余應(yīng)變分布不均和最大殘余應(yīng)變?cè)龃蟮炔涣加绊憽?/p>

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（編輯：李剛）

Experimental investigation on residual strain of motor rotor with curved and straight bars structure assembled by welding

YANG Jicheng，CHENG Zhiqiang，WANG Kaiyi，DIAO Luyang，LIU Baosheng
（Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province，School of Mechanics and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to reduce the temperature stress of the motor rotor，the combined structure consisting of two curved and one straight bars is designed by the motor engineer based on principle of expansion joint to replace previous straight bar structure.The residual strain of motor rotor is released by partition method and collected by strain instrument.The test results are compared with the results of straight bars motor rotor which has the same material and diameter to study the effect of combined curved and straight bar structure on residual strain of motor rotor.The results show that the combined structure has limited influence on magnitude and nonuniformity of end ring hoop residual strain，but it has great influence on the residual strain of straight bar.The residual strain standard deviation is 15.5 times larger than that of rotor using straight bar structure，and the maximum residual strain is 2.12 times larger than that of rotor using straight bar structure.The test results provide certain reference to the design of the structure of motor bars.

motor rotor；straight rotor bar；curved rotor bar；residual strain

A

1674-5124（2017）04-0019-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.005

2016-09-18；

2016-11-15

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20110184110017）

楊寄誠(chéng)（1993-），男，重慶市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楣こ塘W(xué)。

成志強(qiáng)（1969-），男，四川成都市人，教授，主要從事結(jié)構(gòu)安全方向的研究。