復(fù)合材料護(hù)環(huán)的切削加工與過盈裝配的有限元模擬.pdf

1、近年來，隨之我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對電力的需求也隨之不斷增加，為此對大容量、大功率發(fā)電機(jī)組的需求就顯得尤為迫切。電機(jī)中的轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)是發(fā)電機(jī)的重要部件。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，護(hù)環(huán)受到來自轉(zhuǎn)子的交變壓力及兩者旋轉(zhuǎn)時巨大的離心力，為此對護(hù)環(huán)的力學(xué)性能和護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子的裝配要求尤其苛刻。現(xiàn)役的奧氏體反磁鋼電機(jī)護(hù)環(huán)自重大、依賴進(jìn)口，制約著我國大容量發(fā)電機(jī)的自主發(fā)展。于此同時，纖維樹脂基復(fù)合材料在工程上的應(yīng)用卻越來越成熟、越來越廣泛，其比強(qiáng)度比模量高

2、、磁導(dǎo)率低、加工成型方便、成本低。纖維樹脂基復(fù)合材料護(hù)環(huán)作為工程結(jié)構(gòu)件應(yīng)用，需要對材料進(jìn)行一定的機(jī)械加工，才能滿足裝配及精度的要求。護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子之間為過盈配合，兩者之間的合理裝配對于轉(zhuǎn)子的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的意義。
　　針對以上問題，本文設(shè)計(jì)并制造了600MW級汽輪發(fā)電機(jī)用碳纖維復(fù)合材料護(hù)環(huán)。首先，選擇復(fù)合材料體系—樹脂基體、增強(qiáng)纖維、固化劑、促進(jìn)劑，確定制備工藝、進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)。其次對復(fù)合材料進(jìn)行了車削加工及已加工表面的粗糙度測試，從

3、而優(yōu)化了切削參數(shù)。再者，對復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)及熱膨脹變形量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬分析，最終進(jìn)行了復(fù)合材料護(hù)環(huán)縮比件與轉(zhuǎn)子進(jìn)行裝配的仿真模擬，外護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子的裝配實(shí)驗(yàn)完成了鋪墊工作。
　　本文使用有限元軟件對復(fù)合材料的以下兩個方面進(jìn)行了模擬仿真：
　　1）轉(zhuǎn)子與護(hù)環(huán)之間的過盈裝配采用熱裝法與冷裝法結(jié)合的方法，為了保證兩者之間裝配實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，分別模擬了護(hù)環(huán)在高溫下內(nèi)表面的徑向膨脹量、轉(zhuǎn)子在低溫下的徑向收縮量。模擬結(jié)果表明：對于60

4、0MWe級汽輪發(fā)電機(jī)用碳纖維復(fù)合材料護(hù)環(huán)的縮比件（縮小比例為4:1），其在120℃時的徑向膨脹量為0.0447mm，轉(zhuǎn)子在-110℃時的徑向收縮量為0.681mm。同時還模擬了玻璃纖維及其與碳纖維混雜復(fù)合材料在高溫下的熱膨脹量，結(jié)果表明，玻璃纖維復(fù)合材料護(hù)環(huán)的徑向熱膨脹量在溫度升高至120℃達(dá)到0.389mm，比碳纖維復(fù)合材料護(hù)環(huán)提高了9倍。
　　2）護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子之間的過盈配合量對于兩者工作時的應(yīng)力有很大影響，為此本課題模擬了轉(zhuǎn)子與

5、護(hù)環(huán)縮比件在不同過盈裝配量時的應(yīng)力分布情況，以及護(hù)環(huán)受到過盈裝配產(chǎn)生的離心力的作用下，接觸面上的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明，護(hù)環(huán)及轉(zhuǎn)子在0.2mm過盈量裝配時，護(hù)環(huán)內(nèi)邊界的應(yīng)力達(dá)到20.42MPa，小于碳纖維復(fù)合材料護(hù)環(huán)的縱向壓縮強(qiáng)度900MPa。護(hù)環(huán)在50Hz頻率下旋轉(zhuǎn)過程中，環(huán)向最大膨脹位移量約為0.05mm，在60Hz極限頻率下的環(huán)向最大膨脹位移量約為0.075mm，該膨脹量處于護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子間的過盈配合量的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，因此不會影響轉(zhuǎn)子與