（机械制造及其自动化专业论文）电机定子成型线圈压型过程力学研究与施力系统设计.pdf

佳木斯大学硕士学位论文 摘要 中型电机成型线圈热压成型工艺是电机制造工艺过程中的一个重要工序，它的 优劣直接影响和决定整台电机的质量和生产率。迄今，中型电机成型线圈热压成型 工艺基本采用简单机械、人工操作的方式，不仅工人劳动强度大、生产效率低、生 产质量难以提高，且对每一种规格型号的线圈都需制备、更换和使用相应的一种压 铁，极大地制约了生产的发展。研制开发压铁工作截面尺寸能够连续可调、自动加 热加压、定时保温保压的成型线圈热压型机，改变落后的生产工艺，实现现代化生 产是电机行业的一个发展方向。 本文着重对中型电机成型线圈热压成型工艺过程迸行了力学研究。为深入研究 热压成型工艺过程对成型线圈的影响，设计并建立了中型电机成型线圈热压工艺力 学实验系统。在c s s - - 4 4 5 0 0 电子万能试验机上，采用电加热板提供热压工艺所需 的热源，由热电偶和x c 卜1 0 1 e 型动圈式温度指示调节仪组成的控温电路对热压过 程中的温度进行控制，通过d y b 一5 型动态应变仪进行数据采集。 在应用弹塑性理论分析热压参数对热压成型线圈影响的基础上，应用建立的热 压成型工艺力学实验系统进行试验研究。采用正交试验设计方法，得出三个重要热 压参数压力、温度和加压速率对成型线圈热压成型工艺的影响，并采用多元线 性回归，拟合出含有这三个热压参数的主应变的经验公式，并确定了在此实验条件 下热压参数的最优组合，同时验证了所建立的应力模型的合理性。 利用经验公式和实验结果，设计了能够使压铁工作截面尺寸二维可调、自动加 热加压和定时保温保压、机电液一体控制的d u s i z e 一1 成型线圈热压型机施力系 统。 关键词：成型线圈，热压工艺，应变，系统设计 佳木斯大学硕士学位论文 m e c h a n i c ss t u d ya n dp r e s s i n gs y s t e md e s i g nf o rt h e h o t - p r e s s i n go f f o r m e dc o i l sf o rt h em o t o r s a b s t r a c t i ti so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o c e s s e sf o r t h et e c h n i q u e so fh o t - p r e s s i n go ft h ef o r m e dc o i l s f o rt h em i d d l e s i z e dm o t o r st ob ep r o p e r l ya p p l i e di nt h ep r o d u c t i o no fe l e c t r i cm o t o r s h o t - p r e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h ef o r m e dc o i l si n f l u e n c e sa n dd e t e r m i n e st h em o t o r sq u a l i t ya n d e f f i c i e n c y h i t h e n o ，h o t - p r e s s i n gt e c h n o l o g yi sb e i n go p e r a t e db ym a r ln m i r d yw i t hs i m p l e a p p l i a n c e ，n o to n l y t h ei n t e n s i t yo f t h ew o r k e ri sb i g g e r ，a n dt h ee f f i c i e n c ya n dt h eq n a l i t yo f t h e p r o d u c t i o ni sl o w e r , b u td i f f e r e n tp m s s i n g - i r o ni sn e e d e df o rd i f f e r e n ts t a n d a r dc o i lw h i c h h a n d i c a p st h ed e v e l o p m e n to f t h ep r o d u c t i o n i ti st h et e n d e n c yo fd e v e l o p m e mf o r t h em o t o r s t h a ts t u d y i n gt h eh o t - p r e s s i n ge q u i p m e u tf o rf o r m e dc o i l sw h i c ht h es i z ef o rt h ew o r k i n g - f a c eo f t h ep r e s s i n g i r o nc a r lb ea 由u s t e dc o n t i n u o u s l y ，h e a t e da n dp r e s s e da u t o m a t i c a l l ya n dk e p t p e r i o d i c a l l y ，s oc h a n g e st h eu n d e r d e v e l o p e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n dr e a l i z e s t h e m o d e r n i z a t i o no f t h em o t o r sp r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ep u t sg r e a te m p h a s i so nt h em e c h a n i c ss t u d yf o rt h eh o t - p r e s s i n gp r o c e s so f t h e f o r m e dc o i l t h ee x p e x 恤e n t a ls y s t e mo fm e c h a n i c sf o rt h ef o r m e dc o i l si sd e s i g n e da n d e s t a b l i s h e di no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t so f p a r a m e t e r so f t h eh o t - p r e s s i n gp r o c e s s o nt h ec s s 一 4 4 5 0 0e l e c 仃o n i ca l m i g h t ye x p e r i m e n t a la i r e r a t t , t h ep l a t e nh e a t e ro f f e r st h eh e a t , a n dt h e t e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e db yt h ec i r c u i t r yw h i c hw o r k sw i t ht h et h e r m o c o u p l ea n dt h ex c t - 1 0 1 et e m p e r a t u r ec o n n _ o l l e r , a n dt h ed a t aa l ec o l l e c t e db yd y b 5d y n a m i cs w a i n o m e t e r b a s e do nt h ee l a s t o p l a s t i ct h e o r i e s ，t h i st e x td e e p l ya n a l y s e st h ei n f l u e n c eo f t h em a i nh o t - p r e s s i n gp a r a m e t e r s - - - p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dt h es p e e do fa p p l y i n gp r e s s u r eo nt h ef o r m e d c o i l sb yo r t h o g o n a lt e s t ，a n de s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c sm o d e lo fi t , t h e nd e t e r m i n e st h e e x c e l l e n tc o n d i t i o na n do b t a i mav e r yi d e a lr e s u l ta n dv a l i d a t e st h es u e s sm o d e li sr e a s o n a b l e m a k i n g u s eo ft h ee m p i r i c a le x p r e s s i o n sa n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t , t h ea u t h o rh a s d e s i g n e dt h eh o t - p r e s s i n gs y s t e m - - d u s i z e - 1 f o rt h ef o r m e dc o i l s t h i sp r e s s i l l gs y s t e mi s c h a r a c t e r i z e db yt h ea d j u s m b l et w o - d i m e u s i o n a ls e t t i n g ，h e a t e da n dp r e s s e da u t o m a t i c a l l ya n d k e p tp e r i o d i c a l l ya n dc o n t r o l l i n go f m e c h a t r o n i c sa n dh y d r a u l i c s k e yw o r d s ：f o r m e dc o i l ，h o t - p r e s s i n gt e c h n o l o g y , s t r a i n , s y s t e md e s i g n 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 签名：j 盛幽日期：缝! ：竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：! 选幽 导师签名：超遂! 马日期： 佳木斯大学硕士学位论文 引言 中型电机定子成型线圈热压成型工艺是电机制造工艺过程中的一个重要工序，它的 优劣直接影响和决定整台电机的质量和生产率。迄今。中型电机成型线圈热压成型工艺 基本采用简单机械、人工操作的方式，不仅工人劳动强度大、生产效率低、生产质量难 以提高，且对每一神规格型号的线圈都需靠4 备、更换和使用相应的一种压铁，极大地制 约了生产的发展。 电机行业在线圈热压成型工艺上向着一维可调、二维可调、自动加热加压和定时保 温保压的方向发展：国内对此工艺的研究尚未见报导。 国外，瑞士v o nr o l li s o l a 公司作为国际电机与发电机生产企业，工艺技术先进，已 能够实现热压线圈一维调整和自动加热加压与保持的工艺技术效果。 国内电机行业在线圈热压成型方面普遍迫切要求采用新技术、新工艺取代传统落后 的生产方式。本研究正是基于这个目的，研制和开发压铁工作截面尺寸能够连续可调、 自动加热加压和定时保温保压的成型线圈热压型机，从根本上改变企业的落后生产工 艺，实现现代化生产。 本文应用弹塑性理论。分析三个热压参数一压力、温度和加压速率对成型线圈 热压成型的影响。应用在c s s 4 4 5 0 0 电子万能试验机上建立的热压成型力学实验系 统进行试验研究，采用正交试验设计，多元线性回归方法，拟合出含有这三个热压 参数的主应变的经验公式，并确定了在此实验条件下熟压参数的最优组合，同时验 证了所建立的应力模型的合理性，为电机成型线圈热压型机的设计提供优化参数。 本研究作为电机线圈热压成型工序关键工艺技术装备的研制。通过调研论证和 试验，设计出了二维可调自动加热和加压并定时保温保压的加工系统；提供实际样 机的装配图，设计和技术文件。 佳木斯大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 电动机的生产历史已很悠久，工艺基本定型。随着现代科学技术的发展，大多数工 艺已基本实现了机械化和自动化【l 】。但是，在电机生产过程中，线圈热压成型工艺，迄 今为止仍是手工操作，工人的劳动强度大，生产效率较低，产品质量不能得到很好的保 证。此外，对每一种规格型号的线圈都需制备、更换和使用相应的一种压铁，不仅浪费 材料，又极大地制约了生产的发展。因此，迫切需要研制新一代效率高的专用设备热 压型机来完成压制线圈的任务。要满足对成型线圈的设计与要求，依据经绕制后的梭形 线圈的直线度和线圈截面尺寸，是设计和制造中型电机成型线圈热压型设备所普遍遵循 的原则。而经过热压固化后的线圈的截面尺寸是成型的关键口】。这不仅依赖于成型线圈 热压型设备精密紧凑的结构设计，采用先进的、现代化的制造工艺更是起到举足轻重的 作用。 1 1 1 成型线圈制造工艺的研究与应用现状 谈到成型线圈的热压成型，就不能不涉及到成型线圈的制造工艺。因此，先简单介 绍一下成型线圈的制造工艺。 多匝成型线圈一般用一股或数股扇铜绕组线绕制，经过张形、整形，使线圈外形尺 寸符合图样要求，将线圈直线部分进行热压成型后，包扎对地绝缘，最后进行防电晕处 理p ”。 1 ) 绕线。绕线时，绕线拉力要适当，即使得线匝绕靠模心，又不可因拉力过大而 损坏绕组线绝缘【6 】。 2 ) 包保护带。梭形线圈绕好后包上保护带一无碱玻璃丝带。 3 ) 整理引线并搪锡。搪锡是为了嵌线时便于焊接。需要先刮除绕组线表面的绝缘 层，将引线部分浸涂焊剂之后，再按工艺要求进行搪锡。 4 ) 张形。张形时，在张形机上进行，应将线圈夹持牢靠，定位准确，防止轴向窜 动，以保证两端部长度相等。张形后线圈几何形状和各部分尺寸应基本符合图样要求。 5 ) 整形。张形后的线圈形状不一致，需按照标准形状予以矫正。将线圈套在整形 模上，压紧直线部分，用敲击工具和胶布板将端部的大面和小面逐段逐次地敲靠端胎， 敲击时胶布板须贴靠线圈并把持平稳。敲击力量要适度，防止损伤绝缘。 2 佳木斯大学硕士学位论文 6 ) 热压成型。热压成型是指将包好主绝缘的线圈置于热压模上，对绝缘加热加压 使之固化成型。线圈热压前，一般都采取真空干燥处理，通过真空干燥处理，有利于减 少热压时胶的流失，改善热压固化后的绝缘质量和提高热压效率。 热压时，模具温度先按工艺要求调整好，然后将线圈正确地安放在热压模的底压铁 上，随即放上上压铁压紧直线部分，再夹好端部夹板。加压时要注意两侧压力平衡，防 止线圈倾斜。用卡尺检查鼻部升高并及时校正。线圈在要求的压制温度下按工艺规定的 时间保温保压后便可卸模。 热压工艺参数： 热压时绝缘承受的压力大小主要取决于绝缘包扎尺寸。 热压温度：对b 级绝缘以1 6 5 1 7 5 0 c 为宜，对f 级绝缘以1 9 0 , - - 2 0 0 0 c 为宜。 保温、保压对闯一般为6 0 7 5 m i n ，视线圈大小和主绝缘厚薄而定。 热压工艺曲线如图1 1 l r 、 升温：线圈加热 、 ，f自然、 ，降温 、 开机设定温度 加热时间线圈更换完t ( 加热 到计时开始到关机再次开机 一j 图i i 热压工艺曲线 t ( h ) 7 ) 包引线绝缘和主绝缘。引线绝缘用绝缘带叠包，两端包成锥体状，绝缘外表包 无碱玻璃丝带作永久保护层。包对地绝缘时，要注意搭接，以保证搭接处对铁心的电气 强度。 8 ) 防电晕处理。目的是避免产生电晕及局部放电，防止耐压试验时，端部发生表 面闪络放电而烧坏绝缘表面。 3 佳木斯大学硕士学位论文 9 ) 试验。包括匝间短路试验和对地耐压试验。及时发现加工过程中的缺陷，采取 补救措施。 1 1 - 2 热压成型的特点 热压成型是对多胶环氧粉云母绝缘的一种绝缘处理工艺。通过热压成型，云母带呈 线性结构的环氧树脂分子与固化剂分子发生反应，转变成网状结构的不熔、不溶的大分 子，使云母带与导线、云母带层间紧密地粘结在一起，成为无气隙的整体，从而提高绝 缘的各种性能，同时，线圈绝缘在压模控制下成型，达到要求的截面尺寸【7 1 。 传统的热压成型都是人工上下料，通过上下两块压铁来实现的。热压成型工序作为 电机线圈生产的关键工艺，其技术装备的研制迫切要求采用新技术，新工艺取代传统落 后的生产方式。 1 1 3 热压成型装备及其分类 制造中型电机各种线圈所使用的设备，大部分是一些专用的非标准设备。在这些设 备上安装一种或者数种工装和模具，可以对原材料或半成品按工艺技术要求进行加工， 达到所需要的形状尺寸，制造出电气性能优良和机械性能较高的各类成型线圈川。 热压型装备按用途分，可分为两类：一类用于制造定子成型线圈，这类设备的主要 特点是采用液压系统对定予线圈加压。另一类用于制造转子成型线圈，其最大特点是用 蒸汽加热板对转子线圈加热。 热压型装备按结构分有上压式和下压式。上压式结构其公称压力在4 0 0 0 k n 以下， 活动横梁从上往下压制。油压力在4 0 0 0 k n 或者更大的都采用下压式结构，活动横梁从 下往上压制。 按加热方式分，中型电机成型线圈热压型装备有采用远红外线加热管、电加热管、 电加热丝、晶闸管温度自动控制电热模及蒸汽加热板来加热的。远红外线加热管具有能 够随意调整加热温度且自动显示的特点。电加热管由于加热均匀丽受到广泛的应用。而 电热丝由于其极易烧断，应用不是很广泛。晶闸管温度自动控制电热模，由于能自动控 制压铁所需的温度，而且具有控制精度高，寿命长，无噪声，在圈式定子线圈油压机中 应用较多。蒸汽加热板是利用水汽管系统中的蒸汽作为线圈加热的热源，加热方式比较 简单，也具有一定的实用价值。 按加压方式分，中型电机成型线圈热压型设备有采用汽压装置、液压装置以及杠杆 原理来实现的。由于液压系统具有传动平稳，单位重量的输出功率大，结构紧凑，惯性 小，承载能力大，能方便有效地进行无级调速，而且调速范围大，控制和调节简单、方 便、省力，容易实现自动化控制等优点，得到了广泛的应用。而汽压装置由于其冲击 正 佳木斯大学硕士学位论文 力，噪音大等缺陷，应用受到限制。杠杆原理由于压紧力的大小不易调整，承载能力有 限，结构比较庞大，传动不平稳等缺点，应用也不是很广泛。 1 2 国内外中型电机成型线圈热压型设备的研究状况 1 2 1 国内研究现状 我国在中型电机成型线圈热压型设备的研制方面，受材料制造技术和相关试验技术 水平的牵制程度还很大。我国研究设计制造的成型线圈热压型设备主要是借鉴发达国家 的制造工艺，结合生产实践和经验总结的结果。 佳木斯电机厂1 2 】研制出采用由液压系统驱动的上压缸和侧压缸同时对线圈进行压 制、两个方向的压力分别可调的热压型机，能保证不同尺寸的线圈压力的需要。该压型 机集机、电、液压于一体，为成型线圈的压制提供了较好的设备，提高了生产效率。但 加压装置中上工作台与活塞，下工作台与床身之间热量损失较多，致使活塞杆密封处的 胶圈过早老化，而且局部会产生定的温差。 常州牵引电机厂黄青【8 】设计制造出一种适用于直流牵引电动机电枢绕组的冷、热压 模设备。该设备采用汽缸拉紧压杆，能够保证夹紧力大小。电加热管加热，热电偶测 温，加热均匀，维修更换方便，而且通用性强，节约了生产成本。 集美大学刘丽莉等人唧采用m c s 5 1 系列单片机对成型线圈热压型机的工艺温度进 行实时控制，避免了仪表控制温度浮动范围大，温度控制不准确的缺点，且输出结果比 较直观。当加热时间或温度达到设定值时，系统能自动报警，提示工作人员装、卸线 圈。该设备稳定可靠，控制效果良好，提高了生产效率，具有很大的推广价值。 这些成型设备的研制成功，标志着我国在中型电机成型线圈热压型设备的制造工艺 技术方面已取得一定的进展，这无疑为研制科学化、现代化的电机成型线圈热压型设备 注入了新的催化剂。但要跟上国际发达国家的先进水平，还有很多工作要做。首先，成 型线圈的形成要经过线圈的绕制、张形、热压固化成型等一系列工序【7 j ，各道工序之间 密切联系，互相制约，要想获得符合工艺要求的成型线圈，必须考虑其它几道工序，特 别是绕制线圈的截面尺寸和直线度 t , l o - - 1 3 】，这更为研制热压型机增加了难度。其次，我 国在成型线圈制造工艺设备的研究方面的投入力度还很不够，能够获得符合工艺要求的 成型线圈的制造设备的国产化程度及技术水准还很低，并且缺乏必要的试验检测和验证 手段。再次，线圈的绝缘结构对成型线圈的质量也会产生很大影响【l 删。所以在中型电 机成型线圈热压型设备的研制方面还要加大力度。 5 佳木斯大学硕士学位论文 1 2 2 国外研究状况 从目前来看，由于国外在成型线圈热压型设备的研制方面投入力度大，技术先进， 已获得一定的实用价值和经济效益 2 7 2 舯。 瑞士v o nr o ui s o l a 公司作为国际电机与发电机生产大企业，工艺技术比较先进， 已经研制出热压线圈一维可调和自动加热加压与保持的热压型设备，引导着热压型设备 发展的一个潮流。一 1 3 中型电机成型线圈制造工艺与热压型设备的发展趋势 随着高新技术的发展，中型电机成型线圈制造工艺与热压型装备技术研究日趋深 入。 l 3 1 研制和采用新型绕组线 美国印第安那州的p h e l p sd o d g er e ae s s e x 电磁线公司等相继推出新型绕组线，并 申请了专利 2 9 - 3 2 1 。这种绕组线绝缘结构由l 3 层不同材料的漆膜组成，漆膜中至少有 一层是由无机化合物填充改性的绝缘材料。试验证明这种新型绕组线能满足变频电机的 特殊需要。 1 3 2 研制和采用高性能的粘结漆 根据电机绝缘结构的耐热等级( 见表1 1 ) ，采用不同绝缘等级的电机线圈其热压 温度也不同。近来国外相继研制成f 级、h 级及c 级高性能溶剂型粘结漆，国内也研制 表1 1绕组绝缘的耐热等级 成多种f 级粘结漆，上海电缆研究所也相继研制了h 级二苯醚粘结漆、h 级自粘性改 性有机硅粘结漆。而目前用热熔热塑型树脂作粘结剂代替溶剂型粘结漆已成为当今研究 的主要方向删。 6 一 佳木斯大学硕士学位论文 1 3 3 研制更精密和更先进的成型设备 中型电机在线圈热压成型工艺上向着一维可调、二维可调、自动加热、自动加压和 定时保温保压的方向发展。因此更精密、更先进的成型设备期待能早日问世。 1 3 4 对成型工艺技术的深入研究 当前和今后一个时期，对线圈热压型设备的研制将根据绕制线圈的工作特征，主要 集中在能够实现热压线圈两个方向的压力分别可调，自动加热加压和定时保温保压的工 艺技术方面，从根本上改变企业现在的落后工艺，实现现代化生产。 1 4 课题的来源、目的、意义和主要研究方向 1 4 1 课题来源 本课题来源于黑龙江省教育委员会科研资助项目。 1 4 2 研究的目的和意义 本课题研究的目的是在国内外专家学者对中型电机成型线圈制造工艺与热压型设备 研究的基础上，对成型线圈中的热压成型工艺进行动力学分析，建立热压成型工艺的力 学模型；研制和开发新型熟压型机，使得压铁工作截面尺寸能够连续可调、自动加热加 压和定时保温保压的工艺技术装备，从根本上改变企业现在的落后工艺，实现现代化生 产。 本课题的研究，可以满足中型电机成型线圈热压成型方面迫切要求采用新技术、新 工艺取代传统落后的生产方式的需求。作为关键工艺技术，整机研制后可直接在佳木斯 电机厂试生产和完善。作为产品，全国近三百家企业中需求巨大，具有显著的经济效益 和社会效益。因此，该项目的研究，既有深远的理论意义，又有广阔的应用前景。 1 4 3 本课题的主要研究内容 本课题主要围绕以下几个方面进行： 1 以应用弹塑性力学的理论为基础，全面系统分析中型电机成型线圈热压成型工艺 的特点，确定各运动参数及其相应的运动形式，推导建立成型线圈热压成型工艺的动力 学模型，为热压型设备的设计打下理论基础。 2 建立符合中型电机成型线圈热压成型工艺要求的力学实验系统。 3 在力学实验系统上进行力学试验，确定成型线圈热压成型工艺的实际动力学模 型，与理论的动力学模型相比较，得出相应的结论。 4 。以先前建立的中型电机成型线圈热压成型工艺的动力学模型为基础，进行热压型 设备的结构设计。首先对设计任务进行分析，详细地列出设计任务表，以此得到热压型 7 佳木斯大学硕士学位论文 装备的功能结构，然后对功能进行分析、综合，选择最优方案，绘制热压型装备的总装 图，完成结构设计。 8 佳木斯大学硕士学位论文 2 中型电机成型线圈热压成型过程的力学分析 2 1 引言 由于中型电机成型线圈本身的结构比较复杂，在其加载过程中的力学分析也比较麻 烦。下面就成型线圈在常温和加热两种状态下进行力学分析，通过力学研究，得出成型 线圈热压成型的力学关系。 2 2 中型电机成型线圈加载过程的力学分析 中型电机成型线圈在加载过程中，不论是常温状态还是加热状态，从变形开始到破 坏都经历两个阶段，即弹性变形阶段和塑性变形阶段。所以，需要针对不同的变形阶段 来分别对其进行力学分析。 弹塑性力学分析畔】中，常采用如下简化假设： ( 1 ) 物体是连续的，其应力、应变和位移都可用连续函数来描述； ( 2 ) 物体是均匀和各向同性的，每一部分都具有相同的性质，物理常数不随位置 和方向的变化而变化； ( 3 ) 在弹性阶段假定物体是完全弹性的，物体的变形是微小的，变形后物体内各 点的位移都远小于物体本来的尺寸，因而可忽略变形引起的几何变化； ( 4 ) 在塑性变形阶段分析某一瞬问的变形时，变形仍可以按小变形来分析。对于 弹塑性体塑性变形中仍包含有弹性变形，塑性变形都遵守体积不变条件或不可压缩条 件。 分析试件在加载过程中的应力和应变的力学关系，选取试件垂直方向的主应变q 来 进行研究。因为只有试件的z 方向受力最大，产生的变形也最大，以z 方向为主应变 方向来研究，那么x 、y 两个方向的应变、6 y 就能相应得出结论。 研究试件的塑性力学问题f 3 5 l 时，还需要明确以下几点： 1 力与应变之间的关系是非线性的，其非线性性质与具体材料有关。 2 应力与应变之间没有一一对应的关系，它与加载历史有关。 3 在变形体中有弹性变形区和塑性变形区，而在求解问题时需要找出弹性区和塑 性区的分界线。 4 分析问题时，需要区分是加载过程还是卸载过程，在塑性区，在加载过程中要 使用塑性的应力应变关系，而在卸载过程中则应使用广义的虎克定律。 9 佳木斯大学硕士学位论文 2 3 中型电机线圈成型过程的应力模型 在建立应力模型过程【3 6 】中，需要做出如下假定； ( 1 ) 应力主方向与应变主方向是重合的，而且在整个加载过程中主方向保持不变； ( 2 ) 平均应力与平均应变成比例； ( 3 ) 等效正应力是等效正应变的函数，而这个函数对每个具体材料都应通过实验来 一 一 确定，即盯2 占+ f ； ( 4 ) 忽略蠕变的影响，考虑到扁铜线在高温下极易发生塑性变形，采用热、弹、塑 应力模型x , l - 成型线圈直线部分进行热应力分析； f 5 ) 成型线圈因热应力作用变形较小，假定材料满足小变形理论； ( 6 ) 用米塞斯( m i s e s ) n n 准则描述成型线圈的屈服极限。 2 3 1 中型电机成型线圈在常温状态下加载时的应力模型 j 5 q 用电阻应变片所测得的是构件上某一点处的应变，必须经过换算才能得到该点的 应力。 对于试验所用的试件，应力分析图见图2 1 。受压时没有剪切变形( 构件受到与其 相垂直的大小相等，方向相反且作用线相距很近的两个外力作用时发生的变形) ，故可 得出三维状态下试件的主应力和主应变之间的关系。似伽为： ( 2 1 ) 式中：六、六、占：m x 、y 、z 方向测得的主应变 一、q 、盯：- x 、y 、z 方向计算所得应力 m p a e 一被测试件的弹性模量。不仅与材料有关，而且也和塑性变形程度有关 中8 被测试件的泊桑设物体的体积是不可压缩的，则有声= ；。 1 0 1川j川j1川j 盯 盯 盯 + + + b k k 一，一一 一 一 一 盯 盯 盯 。一。一。一 【l l i i i q 勺 巳 佳木斯大学硕士学位论文 z f o x 一一，7r i r o y 厂一二二卜一一 ， ，7 y 卜陟7 l 。1 。一。+ ：。一。1 。l ?馥 x 图2 1 应力分析图 利用复杂应力状态下与大多数金属材料的实验结果能够较好地吻合的米塞斯屈服准 则，来确定变形体内某点是否进入塑性状态的依据，还可以作为塑性变形是否继续进行 的依据。 米塞斯屈服准则： 吼2 去( 盯，一盯y ) 2 + ( 盯，一盯。) 2 + ( 盯：一盯，) 2 = 盯。 ( 2 2 ) 式中，盯s 为单向应力状态下的对应于一定温度、一定变形程度及一定应变速率的 流动应力，而且该应力不是以名义应力来表示而是用真实应力来表示的。这里，选用中 型电机成型线圈的组成材料中o b 较低的材料一聚四氟乙烯薄膜的许用应力h 1 1 作为它的 流动应力。 纠：旦 式中： 吒一聚四氟乙烯薄膜的抗拉强度，2 2 8 m p a ： 安全系数，取2 5 ； p 】聚四氟乙烯的许用应力。 ( 2 3 ) 佳木斯大学硕士学位论文 2 3 2 中型电机成型线圈在热压状态下的应力模型 在小变形情况下的热塑性问题，由于平衡或运动方程只与物体的受力或运动有关， 与产生的原因无关，因此平衡方程与等温弹性问题中的方程相同，即不计体力时，平衡 方程为式( 2 4 ) 。 堡+ 丝+ 监：o 出 o y a z o r g y + 堕+ 堡：o( 2 4 ) o x o y o z o r = + 坠+ 堡；o 由于应变与位移之间的关系与引起位移的原因无关，因而也与等温弹性问题中的几 何方程相同，即在小变形情况下有式( 2 5 ) 。 o uo w 泖 2 瓦2 面+ 瓦 占。：生，y ，：丝+ 一o w ( 2 5 ) 占y2 瓦2 西+ 瓦 “j 驴警，= 面0 v + 万0 u 在热塑性的形变理论中，物体的应变是由三部分组成的，即： r 一 ( 1 ) 由于自由膨胀而引起的应变分量，它们为f ，5 洲，对应的剪应变分量为 零； ( 2 ) 在热膨胀时由于物体内各部分之间的相互约束而引起的热弹塑性应变分量 6 ，它们和热应力之间由形变理论的表达式确定； ( 3 ) 由平均熟应力引起的体积应变。 因此，变温情况下热塑性的物理方程为： s ；= 1 0 f o + 五( 盯。一) + o t t ，y = 2 2 f f 6 y = i o o + z p y - - o o ) + 口f ，= 2 3 l f 。 ( 2 6 ) t = i o o + ： , ( o - z - - g o ) + 砑，y x y 2 3 , 1 2 - 佳木斯大学硕士学位论文 式中：c r 0 一为平均正应力，c r 02 ；( 吒+ 盯，+ 吒) ； 世： 堡 k 为体积变形模量，3 ( 1 2 ) ： j ：堡 五一为比例因子， 2 吒。 而 铲万1 厄i 再万砑i j 再瓦下丽 t = 孚乒万i 虿虿百虿而 2 4 本童小结 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 本章着重对中型电机成型线圈在常温和加热两种情况下的加载过程进行了力学分 析，明确了在常温和加热两种状态下加载时成型线圈的受力特性。在深入研究中型电机 成型线圈加载时动力学关系的基础上，建立了常温状态和加热状态的应力模型，并从理 论上分析了应力模型的合理性。 中型电机成型线圈作为电机的一个主要组成部分，在其成型过程中。首先要保证成 型线圈的各组成部分不会受到塑性变形，特别在热压过程中，要保证成型线圈的各组成 部分不发生变形，否则，成型线圈就会受到损害，不能满足成型线圈的工艺要求，也就 不能保证电机的正常工作。 一1 3 佳木斯大学硕士学位论文 3 中型电机成型线圈热压成型工艺过程力学实验系统设计 3 1 引言 随着科学技术的发展，生产高精度的热压型机已不是很困难，一方面能够提高劳动 生产率，另一方面又能更好的满足热压成型的生产工艺。本文通过中型电机成型线圈热 压成型工艺力学实验系统的设计，对热压成型工艺的力学研究提供实验基础，对热压型 机的整机设计提供依据。 3 2 中型电机成型线圈热压成型工艺力学实验系统的建立 本文应用长春试验机所生产的c s s - 4 4 5 0 0 电子力能试验机对试件进行加压，其力学 实验系统结构如图3 1 ，实物图见附录a l 。它主要是由底板、电加热板、热电偶、由液 压系统驱动的上压头以及计算机等组成。在炉膛与炉壳之间用新型保温材料硅酸铝纤维 毡以及膨胀珍珠岩砖充填以隔热。电热元件为电加热板，底板上开有小槽以放置测量温 度用的热电偶。给此装置通电后，为满足成型线圈热压工艺要求，工件温度以5 。c m i n 的速度上升，当达到预设温度1 5 0 1 6 0 1 2 时，上压头在液压系统作用下以一定的速度给 试件加压，当达到要求的压力1 0 0 k n 时，压力不再增大，保持1 5 r a i n 后可得到满足工 艺要求的成型线圈。该系统的特点是：设备简单，工艺比较容易掌握，成型周期短，耗 能少，成本低。 电热板 压头 底板 工件热电偶 图3 1 力学实验系统 1 4 佳木斯大学硕士学位论文 3 3 温度自控系统的设计 温度自控系统的总体设计如图3 2 所示，实物图见附录a 2 。控温系统由温度传感器 镍铬镍硅e 型热电偶、x c t - 1 0 1 e 型动圈式温度指示调节仪、电加热板、c d c l 0 - 4 0 型 交流接触器、5 2 2 型中间继电器、电源开关和接线端子板等元件组成一个二位式炉温自 调系统。x c t - 1 0 1 e 型动圈式温度指示调节仪控制接触器c 的通、断，从而控制电加热 电热板 图3 2 二位式炉温自调系统示意图 板的通电和断电。当炉温偏差在5 以下时，调节器输出为“1 ”，交流接触器c 接 通，电热丝得电，电炉以全功率加热，炉温以5 。c m i n 上升，当炉温上升至偏差大于5 时，调节器输出为0 ，接触器断开，电炉停止供电。由于电炉存在热惯性，炉温 在停止供电后的一段时间内仍继续上升一段才开始下降。当炉温下降至偏差为5 以下 时，调节器又输出“1 ”，电炉又以全功率加热，同样由于热惯性，炉温继续下降一段 后才又开始上升。此后，调节器的工作周期性地重复上述过程，因此系统的调节过程是 一个稳定的持续振荡过程。二位式炉温调节过程如图3 3 。 3 4 变温场中热应力测试技术 成型线圈在温度变化的环境下，其温度分布发生改变，在结构中将产生热应力。这 种热应力不会给扁铜线带来实际危害，但对其外层包扎的绝缘材料9 5 4 5 1 多胶环氧玻 璃粉云母带会产生破坏。因为多胶环氧玻璃粉云母带是热的不良导体，内部温差大，而 其抗拉强度又低，所以快速升、降温将引起内部的膨胀、收缩，产生拉、压应力。 1 5 仪刁iill强二 塑一毫一一 专 象 芝一一 刁拶哆r 一一，重弦釜 佳木斯大学硕士学位论文 0 c 1 5 5 + 5 1 5 5 1 5 5 5 图3 3 二位式炉温调节过程 t 3 4 1 变温场中热应力测量原理 在快速变化的温度场中，要测量线圈因温度变化所受到的拉、压应力，可通过所测 应变值换算得出。由于温度的影响会使试件材料及应变片原材料的性能发生变化，粘贴 在试件表面上的应变片金属栅也随之产生变形，使其电阻值发生变化【4 2 】。 3 4 2 变温场中热应力测量方法 热应力测量部位应根据线圈的结构特点、温度分布和应力分析结果来确定。每个测 量部位根据受力状态布两个应变片，热应力测量要扣除应变片的热输出，并同时测量该 处的表面温度。所以，仪器测到的应变由两部分组成，即由于温度变化试件产生的真实 应变和应变片自身受温度影响产生的应变( 热输出) ，用公式表示为： 占= 2 0 + s 出( 3 1 ) 式中：g ：所测试件结构表面的主应变 6 一应力产生的真实应变 6 m 由试件温度变化产生的应变输出 在试验温度范围内，热输出与温度变化呈线性关系： 占f 2b a t r ，2 ) 出2 一“是温度变化量。系数b 是每升温l 的热输出，温度试验前，用相同材 料的试件进行材料的热输出试验，求出系数b 。 1 6 一 八厂 一 文、 、羹。 ，二 一 y 一 佳木斯大学硕士学位论文 3 5 变温场热应力测试系统的设计 变温场热应力测试系统框图如图3 4 。测温传感器选镍铬镍硅e 型热电偶，测应 变传感器选b b l 2 0 - - 4 a a ( 1 1 ) 2 5 0 电阻应变片，其电阻值为1 1 9 7 + 0 1o ，灵敏系数为 1 , 8 6 _ - - _ 1 。d y b ：- 5 型四通道动态应变仪完成数据采集，并通过计算机及其应用程序完 成各项测试任务。 霉 1 d主yib怔卞 j 垫鱼堡 一广1。5 型动态r1 计算机厂_ 1 一“一j 厂l 应变仪i 一 【应变片i 1 叫一r 一j ，一i 3 5 1 应变片粘贴工艺 与常温应变片相比( 一3 0 + 6 0 ) ，高温应力的测量需要特别考虑以下测量因素 的影响：测量点的温度范围、应变片灵敏度与温度的关系等田】。 高温状态下胶基b b l 2 0 - 4 a a 应变片的应力测量，采用了严格的粘贴工艺。首先是 砂轮机打磨，去污除锈，然后砂纸先粗后细，沿贴片方向抛光，用丙酮清洗：在电阻片 基底上和测试面均匀涂刷一层薄薄的粘接剂，微干后用应变片拖匀粘压，垫上聚四氟乙 烯薄膜滚压；胶层固化后，检查应变片的外观及电阻绝缘的情况，应变片导线经接线端 子固定到测量导线，由康铜丝外套浸有机硅树脂石英丝套管绝缘而成。 3 5 2d y b 5 型动态应变仪应变测量 3 5 2 1d y b 5 型动态应变仪应变测量原理 应用惠斯顿电桥 4 4 1 ，当应交发生时，输出电压随应变片电阻的变化而成比例地变 化，测量电桥如图3 5 。其微应变为式( 3 3 ) 所示。 。= 一1 e 3 - 4 ( 。一吒口) k p v e t f 11 、 式中：以表示所测的微应变 ，应变片的灵敏度系数 i n i t 应变片的初始电压值 1 7 佳术斯大学硕士学位论文 一应变片变化后的输出电压 v e t r l 、r 2 、r 3 电桥的平衡电阻r z 测量应变片 v e t 桥路电压 v m e a s 电桥输出电压 图3 5 应变测量电路 3 5 2 2d y b 一5 型动态应变仪应变测量的导线连接 环境温度变化会引起导线电阻变化，故将引起应变测量误差。测量导线较长时，导 线电阻受温度影响不可忽视，故采用3 线连接方法( 如图3 6 ) ，以抵消其影响。连接 工作片r l 温度变化区r l 图3 6 导线的3 线连接方法 l 补偿片r 2 a 、b 和c 的3 根导线类型必须一样，经过温度变化区的长短和路径必须相同，以使 a 、c 这2 根导线的电限及其由于温度产生的电阻变化彼此相等，2 种连接法的导线均 结扎成束并沿温度均匀的线路引出，以减少电阻变化的差异。 3 5 2 3 应变片灵敏度系数的修正 d y b 一5 动态应变仪设计使用的应变片系数k = 2 0 0 ，本试验使用灵敏度系数 p2 1 岱。的应变片，那么实际的应变值为： 1 8 压 上一 佳木斯大学硕士学位论文 8 ，2 丽 ( 3 4 ) 式中：占：为测量的主应变值 3 。6 本章小结 通过分析中型电机成型线圈的热压成型工艺要求，对其力学实验系统进行了总体设 计。采用由热电偶和动圈式温度指示调节仪控制的温度白控系统，由d 卜_ 5 型动态应 变仪进行热应力系统测试。d y b _ 5 型动态应变仪是应用惠斯顿电桥。利用粘贴在试件 表面上的应变片的金属栅在受力和加热情况下电阻值发生变化，而导致其输出电压也发 生变化的原理测得应变的。建立的温度自控系统和热应力测试系统具有响应速度快，采 集数据准确、可靠等优点，从而能满足中型电机成型线圈热压成型工艺力学实验的要 求。 1 9 佳木斯大学硕士学位论文 4 中型电机成型线圈热压成型工艺过程力学实验研究 4 1 实验的目的及其意义 利用中型电机成型线圈热压成型工艺力学实验系统进行力学试验，旨在寻找和确定 温度、压力和加压速率对成型线圈热压成型工艺的影响。通过对实验所得曲线的分析， 与理论动力学模型分析相比较，验证所建立的中型电机成型线圈热压成型工艺动力学模 型的正确性。由实验结论和动力学模型分析，实现对中型电机成型线圈最佳成型条件的 优化。 4 2 热压参数对成型线圈热压成型工艺过程影晌的实验研究 4 2 1 实验材