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牵引电机定子铁心拉杆受力测试研究
摘要：根据变形与受力的关系,采用专用应变测试设备对牵引电机定子铁心拉杆受力情况进行测试。设计拉杆应力测试方案通过测试手段找出静态定子铁心拉杆紧固实际受力情况,评估定子铁心拉杆的安全性,验证铁心制造工艺参数的合理性。
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在电机制造领域,铁心测试是一种重要的品质保证措施,它可以预估电机的可靠性和后续的运行维护成本。一直以来电机制造的一些重要工艺参数主要靠言传身教,口口相传。知其然不知其所以然,导致产品质量频发且难究其因。制造技术正向设计能有效地解决此类问题,保证产品质量。通过定子铁心拉杆应变测试,再现拉杆受力情况,从而评估定子铁心品质及拉杆的安全性,发现制造过程中对拉杆受力的主要影响因素。在此基础上对定子铁心制造工艺进行优化改进,达到提高电机铁心品质,优化电机制造工艺的作用。
1、测试方案设计
1.1测试原理
在制造过程中定子铁心拉杆通过标定紧固力矩的定力矩扳手紧固,拉杆因受力发生轴向长度变化,即具有一定的伸长量。
根据胡克定律知材料在弹性变形阶段,其应力和应变成正比例关系。通常对弹性体施加一个外界作用力,弹性体会发生形状的改变,俗称形变。对一根细杆施加一个拉力F,其拉力除以杆的截面积S,即为线应力。杆的伸长量△L除以原长L,即为线应变。
杆系拉力计算公式[1]:
式中F———拉力(单位:N)。
σ———应力(单位:N/mm2)。
A———拉杆截面积(单位:mm2)。
杆系应力计算公式[2]:
式中σ———应力(单位:N/mm2)。
Eb——弹性模量(单位:Pa)。
ε———应变(单位:比值、无量纲)。
杆系应变计算公式[3]:
式中ε———应变(单位:比值、无量纲)。
△L———伸长量(单位:mm)。
L———有效长度(单位:mm)。
1.2拉杆应力应变测试方案
拉杆应变数据通过在拉杆本体贴附电阻应变片测试的方式获得。电阻应变片的测试原理是将应变片贴在被测定物上,使其随着被测定物的应变一起伸缩,同时里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。应变片就是应用这个原理,通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金,其电阻变化率为常数,与应变成正比例关系。
应变片计算公式[1]:
式中ΔR———电阻变化值(单位:Ω)。
R———电阻值(单位:Ω)。
K———比例常数(单位:无量纲)。
ε———应变(单位:比值、无量纲)。
在这里R为应变片原电阻值Ω(欧姆);ΔR为伸长或压缩所引起的电阻变化Ω(欧姆);K为比例常数,不同的金属材料有不同的比例常数K。常用材料铜铬合金的K值约为2。
拉杆主要关注其所受拉力载荷及应力应变分布状况。主应力已知,考虑到拉杆自身特点及加载情况,我们利用应变片测试时采用半桥接法。一个应变片为主应变测量(轴向应变),另一个为补偿应变片,其敏感栅方向与拉杆轴向垂直。
2、实验测试
2.1测试方法
采用应变电测的方法,在拉杆母体上半桥法连接两个应变片,利用应变仪采集应变数据,根据应力-应变关系得到应力值。
2.2测试步骤
2.2.1贴片
将测试铁心8根拉杆分别贴片,见图1所示。
2.2.2标定
定性标定:相同拉杆,安装两组应变片,采用扭矩扳手紧固的方式,同时测量两只应变片的曲线,见图2所示,在紧固的过程中,两只应变片的数据变化趋势一致。
图1贴片
1-出线端2-引线3-应变片4-拉杆
图2应变片贴片标定
定量标定:对测试件施加不同标准拉力值,记录应变片对应应变值。根据多次标准拉力-应变值生成模拟曲线作为标定曲线。标准拉力值测试越多,标定曲线越准确。
2.2.3现场测试
在预紧力一定的情况下,分别对图纸设计扭矩40±4N·m进行扭矩值边界条件验证,为特殊过程提供边界确认依据。现场测试见图3所示。
图3现场测试
1-定子铁心2-引线3-应变数据采集仪4-数据采集终端
3、实验数据分析
3.1试验数据汇总
预紧力一定的情况下,分别对图纸设计扭矩40±4N·m边界值进行测试,测试数据见表1。表中F为预紧力,M为紧固力矩,F+M为预紧力与紧固力矩同时作用于定子铁心。
表1不同拉杆扭矩下铁心应变测量数据汇总表
3.2数据分析
根据表1测试数据利用折线图进行分析,见图4。
3.2.1在预紧力一定的情况下,随着拉杆扭矩的增大,其应力也随之增大。
3.2.2被测拉杆为10.9级高强度螺钉,其公称屈服强度1000X0.9=900MPa应力值均小于拉杆公称屈服强度。
3.2.3数据的离散度与铁心配件质量、测试精度有关,比如冲片冲裁质量导致的冲裁毛刺不均匀等。
图4测试数据折线图
4、结论
本次测试的是裸定子铁心拉杆应变,通过测试可以验证执行目前的工艺参数不会造成静态下拉杆拉力过大的情况。同时为拉杆扭矩值边界条件验证提供了数据支撑。
参考文献：
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2020-12-05
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