编辑：保定矿用变压器厂家 日期：2019-01-11 人气：333
保定矿用变压器定子和转子接触状态的数值分析 核心提示： 动摩擦因数对定子和转子接触状态的影响。建立了在一定接触条件下与定子接触的摩擦材料的变形和其弹性模量的关系。测试了摩擦材料性能对超声保定矿用变压器堵转力矩的影响。根据数值计算结果和试验确定的摩擦材料性能，得动摩擦因数对定子和转子接触状态的影响。建立了在一定接触条件下与定子接触的摩擦材料的变形和其弹性模量的关系。测试了摩擦材料性能对超声保定矿用变压器堵转力矩的影响。根据数值计算结果和试验确定的摩擦材料性能，得到了更精确的摩擦材料的接触变形范围，为摩擦材料的选择提供了依据。
0刖S保定矿用变压器的转速负载特性在很大程度上依赖于定子和转子的接触状态，即与接触区宽度和接触的应力分布等有关对于给定的工作参数和工作条件，转子摩擦材料的性能（弹性模量、硬度和摩擦因数等）对定子和转子的接触状态有较大的影响。
早在1987年Endo等人m研究了橡胶基摩擦材料的硬度与保定矿用变压器性能的联系，给出了最佳的硬度选择范围，并提出摩擦材料与定子的接触变形深度应为定子振幅的50%以下。W提出摩擦材料的变形深度应为定子振幅的12.5%25.0%.Nakamura和多田等人测试了一系列摩擦材料对保定矿用变压器性能的影响，指出选择较篼的弹性模量和较大的动摩擦因数的摩擦材料是有利的。指田m认为摩擦材料与定子的接触变形宽度应为行波半波长的25%40%.可见，选择摩擦材料仍缺乏理论指导，也没有建立起接触变形与材料性能的联系。
实际上，摩擦材料的诸性能之间存在相互影响，在研究中，试图得到动摩擦因数相同而弹性模量不同的摩擦材料或弹性模量相同而动摩擦因数不同的摩擦材料相当困难。本文根据行波保定矿用变压器定子和转子的接触特点，提出一个简化的接触模型，借助于有限元法，在计算机上模拟研究了摩擦材料的性能对定子和转子接触状态的影响，计算出摩擦材料的接触变形与其主要性能（弹性模量和动摩擦因数）的关系，并通过试验研究不同性能的摩擦材料国家自然科学基金资助项目（19874039）。20010606收到初稿，20011112收到修改稿对保定矿用变压器堵转力矩的影响，给出选择摩擦材料的依据。
1计算模型和计算条件l.i有限元接触模型以一台b13模圆板行波保定矿用变压器为例'其转子和定子的结构及材料性能如和表1所示。
当定子作振动时，其齿圆周上共有3个波峰同时与转子摩擦材料接触，这三个波峰组成120°对称，每个波峰接触区上应力分布是相同的。
取一个波长作为定子和转子接触研究区域，有限元计算接触模型如所示（图中0.5为齿槽间隙）。
假设定子行波波面为刚性体，因与定子粘结的压电陶瓷与其材料的弹性模量和泊松比接近，将它与定子视为同一种材料；摩擦材料为线弹性，沿定子正弦波面变形；转子基体视为刚性不变形；转子基体与摩擦材料牢固粘结，不计胶层影响。因为定子齿沿径向宽度远小于波长，所以可以将定子和转子的接触问题简化为二维有摩擦平面接触问题。由于转子稳态工作时匀速转动，定子和转子接触是一种平衡状态。因此，本文选择一个驱动周期内定子和转子的对称接触状态，按准静态接触问题，研究摩擦材料的弹性模量和动摩擦因数对定转子接触状态影响，采用具有非线性分析能力的ADINA有限元程序计算。
表1转子和定子的材料及其性能零件名称材料弹性模量泊松比密度转子基体摩擦材料工程塑料定子压电陶瓷定子和转子有限元计算的接触模型1.2求解区域及条件对所示模型的13个定子齿，分别沿波面划分为三等分，设为棒状刚性单元。每个齿面各节点的J向和z向初始位移坐标可由下列方程求出保定矿用变压器电源输入电压为29V，定子振幅4=1.5|113，齿篼/1=4.5111111，定子中性层厚度5.=1.211111，弯曲行波波长；1=26.2mm，定子和转子的单个接触峰的预压力为7=2.33N，总预压力为7N.摩擦材料和转子基体分为两个单元组，分别划分为四层和三层，共计357个单元416个节点。为模拟堵转条件进行接触状态分析，分别在转子基体上施加了横向（y向）集中载荷和纵向（z向）集中载荷。根据试验用保定矿用变压器的正常工作为有限元计算载荷。
给定的约束条件见，在转子基体上表面取三点，加约束方程，保持转子摩擦材料在z向具有相同的位移，在定子下表面加上固定约束条件，保持定子处于相对静止状态，在右上角的杆元是为了限制摩擦材料不发生较大的横向刚体位移，初始接触条件：在未加接触纵向载荷之前，使摩擦材料下表面与定子波峰处的齿刚好接触。
1.3接触弹性滑移变形功本文定义接触区：V向表面节点接触变形功的概念：当计算平衡时，接触区摩擦材料表面各节点在j方向的接触力与各节点在该方向的表面位移的乘积之代数和，称为接触区摩擦材料表面节点的接触弹性滑移变形功，用％表示，简称接触变形功。％描述了在固定的接触条件下，摩擦材料表面各节点处于弹性接触状态下，表面节点沿接触力方向产生的弹性变形需要的功。％间接反映了接触表面因接触弹性滑动损失的功率的一部分。％越大，表明摩擦材料与定子接触过程中需要消耗的能量越大，使转子获得的有效驱动能量降低。该值与摩擦材料的弹性模量、动摩擦因数和厚度等参数有关。此定义间接反映了不同性能的摩擦材料对定子和转子接触状态的影响。
2接触状态的数值计算计算所用摩擦材料的基准参数为厚度=0.35不变。弹性模量五和动摩擦因数/可变。铝定子的尺寸与纵向接触载荷2.1弹性模量的影响设摩擦材料的动摩擦因数/=0.48，并保持其他基准参数不变，当弹性模量五从0.06GPa到10GPa9种情况变化时，定子和转子的接触节点数W及接触变形功％和最大接触变形深度！的变化见和表2.由可见，当￡较低时，接触区的较多。如￡：=0.06GPa时，在一个波长内，摩擦材料表面的全部52个节点都处于接触中。因为定子波峰与波谷的水平驱动速度方向是相反的，这种接触状态，定子对转子有效驱动作用很小。另外，由可见，随着摩擦材料的五增加，％明显减小，表明弹性滑动引起的功率损失越小，保定矿用变压器的驱动效率越高。
由表2可见，随着￡增大，在接触区内的摩擦材料Z向的最大接触变形A和相对接触变形都逐渐减小。如果将表2的取对数，并设id =Ans，则可拟合出札与五的关系Z.USAV吞烬葚迪*接觖节点数接变形功弹性模量￡/GP接触节点数和接触变形功随弹性模量变化表2最大接触变形和相对接触变形弹性模置￡/GPa最大接触变形相对接触变形当五>0.5GPa时，摩擦材料的将小于定子的振幅次=1.5um.如果使用这种摩擦材料，即可与定子齿面在振动平衡位置以上的波面相接触。接触节点数的减小，意味着接触区宽度减小，即参与驱动的定子齿数减少，如所示，当五>4GPa时，接触节点数为8，即有两个定矿用变压器子齿（每个齿面上有4各节点）参与驱动，而￡；从4GPa增加到7GPa时，节点数只减少2个。当从7GPa增加到10GPa时，几乎不再减少。可见，当摩擦材料的弹性模量增大到一定程度时，再增大弹性模量对接触节点数，即接触宽度减少不明显。
超声保定矿用变压器是摩擦驱动，由摩擦学原理，滑动副的摩擦力与真实接触面积成正比。选用较篼的弹性模量的摩擦材料，定子和转子摩擦材料的接触宽度减小，在同样的预压力下，摩擦材料与定子的真实接触面积减少，转子获得的摩擦驱动力反而减小。而使用较低的弹性模量的摩擦材料，接触区宽度增大，弹性滑动损失也增大，此外，如果在较大的接触区内出现定子水平振动速度小于转子圆周速度的接触状态，也会降低转子的摩擦驱动力根据已有的结果，在定子与转子接触中，转子摩擦材料的相对变形8为12.5%到50.0%是合适的。基于这一要求，由本文的计算模型，摩擦材料的弹性模量至少应大于1.48GPa而小于7GPa，见表2所示。这是一个较宽的选材范围，需要进一步确定。
2.2弹性模置和动摩擦因数的综合影响保持其他基准参数不变，选择了四种弹性模改变这两个参数。是定子和转子接触区％随摩擦材料的五和/的变化。可见，当摩擦材料的/较低，五较大时，接触区的％也越大，相反，当E较小时，％较小。其原因是摩擦材料的五越大，接触区宽度越小，当/较小时，接触节点更易沿方向滑动，导致％增大。当/增加到0.3时，在五较低时，％较大，当￡=3.8GPa时，％迅速减小，再增大五，则％几乎不变；当/>0.3时，在五较小时，增大/则％将降低；但在￡较大时，%随/增加降低幅度减小。此外，当/和五分别超过某一个值时，在一定的条件下，％随它们的再增加几乎不变。说明选择较高的动摩擦因数/和弹性模量五的摩擦材料，即对于降低％有个极限。
弹性模量￡/GPa接触变形功随弹性模量和动摩擦因数的变化3试验结果14种可作为保定矿用变压器使用的摩擦材料，其物理和力学性能按弹性模量排序见表3所示。采用与计算模型相同的接触载荷，分别测试了这些摩擦材料对本文研究的圆板行波超声保定矿用变压器堵转力矩Md的影响。是保定矿用变压器Md随摩擦材料的￡变化。由图可见，摩擦材料￡较低时，保定矿用变压器的Md较小，随着五的增大，Md逐渐增大，当五处于4.0GPa左右时，Md最大，随着￡的继续增大，保定矿用变压器的Md反而逐渐下降。五增大意味着转子摩擦材料与定子接触的变形量减小。根据本文的计算结果，当摩擦材料的￡：在4.0GPa时，其与定子接触的最大变形量/为定子振幅的21%，这与件，即摩擦材料的变形为定子振幅的12.5%~25.0%相一致。但是，当摩擦材料的五大于4.0GPa，达到6.56GPa时，理论计算的转子摩擦材料与定子接触的仍大于定子振幅的14.3%，满足适宜的接触条件，然而，保定矿用变压器的Md却明显减小，这可能与本文试验的几种高五的摩擦材料的/较低、接触摩擦力较小有关。根据本文2.2部分的计算结果（见）可知，在摩擦材料的五较高时，如果/较低，则％较大。例如，当五=7GPa时，/从0.48降为0.1，则％增大了约32倍，这将导致保定矿用变压器的Md下降。说明保定矿用变压器的Md并不是摩擦材料五的单调函数，而是与摩擦材料的/等其他性能还有关。
表3摩擦材料的性能和堵转力矩测试结果摩擦材料弹性模量摩擦因数堵转力矩编号组成酚醛树酯加50%芳纶纤维环氧树酯加50%碳纤维双马来酰亚胺加30%芳纶纤维酚醛树酯加60%高岭土加20%芳纶纤维聚醚砜双马来酰亚胺环氧树酯环氧树酯加30%碳纤维丁腈橡胶加85%轻质铸型尼龙6丁腈橡胶加65%轻质CaC03超高分子置聚乙烯聚四氟乙烯丁腈改性酚醛树酯根据试验结果，如果以保定矿用变压器的最大堵转力矩下降10%为标准，那么由的试验点拟合的曲线可得摩擦材料五的范围约为2.8~5.3GPa.再由本文计算模型得到的式（3），可求得在给定的接触条件下，对应的转子摩擦材料的最大接触变形量约为定子振幅的15.0%~18.5%.这个相对接触变形范围比目前报道的12.5%~50.0%更小，有利于摩擦材料的选择。在本文的接触条件下，控制摩擦材料的弹性模量在4.0GPa左右，且动摩擦因数处于0.5左右时，可使保定矿用变压器具有较篼的堵转力矩。一般地，相同的弹性模量不同的预压力接触变形不同，但保持定子和转子处于本文提出的相对接触变形范围，对获得较大的动机堵转力矩是有利的。对于其他接触条件，可根据这一相对接触变形范围，用本文的模型计算摩擦材料的弹性模量区间，选择摩擦材料。
弹性模童￡/GPa保定矿用变压器的堵转力矩随弹性模量的变化4结论提出一个简化的保定矿用变压器定子和转子的接触模型和接触变形功的概念。基于此模型的计算表明，在一定接触条件下，摩擦材料的弹性模量较小时，对接触节点数（接触宽度）和接触变形功的影响较明显，但当其超过某一值时（五=4.0GPa），这种影响减弱。当摩擦材料的动摩擦因数较低、弹性模量较高时，接触变形功较大，但当它们分别超过某一临界值时，接触变形功几乎不再减少。建立了给定接触条件下转子摩擦材料的接触变形与其弹性模量的关系。根据试验和计算结果，建议了一个较精确的摩擦材料的接触变形范围，为圆板行波型保定矿用变压器摩擦材料的选择提供了理论依据。
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