錢(qián)興良，羅載奇，蒲曉霞，馬前容

航空直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出軸斷裂故障分析

錢(qián)興良，羅載奇，蒲曉霞，馬前容

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

簡(jiǎn)述了某航空直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出軸在設(shè)計(jì)上為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)安全而采取的措施，分析了引起直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出軸薄弱環(huán)節(jié)斷裂的因素，確定了某小型發(fā)動(dòng)機(jī)用起動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出軸斷裂的原因。根據(jù)該故障原因，制定了解決方案，并付諸試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：排查分析得到的導(dǎo)致電機(jī)軸薄弱環(huán)節(jié)斷裂的原因正確，制訂的解決措施合理，效果令人滿意。

直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)；輸出軸；斷裂；電源特性；沖擊扭矩

1 引言

直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電機(jī))作為電起動(dòng)機(jī)的一種，廣泛應(yīng)用于航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、小型渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和微型發(fā)動(dòng)機(jī)上。在不同的高空、地區(qū)、氣象、季節(jié)等復(fù)雜環(huán)境條件下，航空電機(jī)的工作狀況相當(dāng)復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)各種故障[1～3]，有些故障甚至可能危及到發(fā)動(dòng)機(jī)安全。為保障發(fā)動(dòng)機(jī)安全，作為轉(zhuǎn)子主要傳力(受力)部件的電機(jī)輸出軸(以下簡(jiǎn)稱(chēng)軸)，一般情況下都設(shè)計(jì)有一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)(見(jiàn)圖1)。當(dāng)扭矩超過(guò)該薄弱環(huán)節(jié)的扭矩極限時(shí)，要求軸被扭斷以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)不受破壞或損傷。

2 故障現(xiàn)象概述

圖1 軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch map of shaft configuration

某小型發(fā)動(dòng)機(jī)采用的直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)，通過(guò)卡箍與發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣連接，并設(shè)置定位銷(xiāo)/孔。為了便于維護(hù)和更換，軸采用花鍵聯(lián)接方式的“軟軸”結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，具有約3°的偏心調(diào)整能力，穿于電機(jī)轉(zhuǎn)子的空心軸中[4]，通過(guò)花鍵與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)接。

該小型發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試車(chē)臺(tái)調(diào)試試驗(yàn)中，某次冷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)速、無(wú)起動(dòng)電流顯示。檢查電氣系統(tǒng)，未見(jiàn)異常。拆下編號(hào)為D060214的電機(jī)，檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸在薄弱環(huán)節(jié)處斷裂(簡(jiǎn)稱(chēng)斷軸)，盤(pán)轉(zhuǎn)核心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，未見(jiàn)異常。更換編號(hào)為D060205的電機(jī)，首次冷運(yùn)轉(zhuǎn)正常。再次進(jìn)行冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)又出現(xiàn)無(wú)起動(dòng)電流顯示的現(xiàn)象，且測(cè)試結(jié)果與前幾次相同。拆下D060205電機(jī)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸薄弱環(huán)節(jié)處已斷，盤(pán)轉(zhuǎn)核心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，未見(jiàn)異常?？蛰d瞬時(shí)通電檢查電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況良好。

3 故障原因分析

該型電機(jī)是現(xiàn)役定型產(chǎn)品，已在外廠和部隊(duì)服役多年，使用中未發(fā)現(xiàn)有不正常設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題。該型電機(jī)與該小型發(fā)動(dòng)機(jī)配套安裝于其它地面臺(tái)和高空臺(tái)上進(jìn)行過(guò)200多次試驗(yàn)，均未發(fā)生過(guò)斷軸故障。但該型電機(jī)在此次小型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，提高了起動(dòng)功率使用，相應(yīng)的起動(dòng)沖擊扭矩比原設(shè)計(jì)值大近一倍。

目視觀察兩臺(tái)電機(jī)斷口沒(méi)有明顯不同，斷口端面均有螺旋狀痕跡，從斷口特征可初步判斷為扭斷的可能性最大。考慮到航空電機(jī)的工作狀況復(fù)雜，為準(zhǔn)確分析故障原因，將可能產(chǎn)生該故障的因素分為外部因素、電機(jī)軸自身因素、與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接機(jī)械因素、電氣控制與臺(tái)架起動(dòng)電源特性因素四大類(lèi)，建立電機(jī)斷軸因素分析故障樹(shù)(見(jiàn)圖2)。

圖2 斷軸分析故障樹(shù)Fig.2 The failure-tree of generator shaft

3.1 斷口金相分析

軸的斷口(見(jiàn)圖3)分析表明，裂紋從周邊開(kāi)始，并同時(shí)沿周向和徑向擴(kuò)展，斷裂性質(zhì)屬瞬時(shí)扭斷，為所受應(yīng)力超過(guò)其材料應(yīng)力極限所致。

圖3 電機(jī)輸出軸斷口圖Fig.3 The rupture surface of generator shaft

3.2 外部因素分析

外部因素主要有電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)異物卡滯、電機(jī)軸薄弱環(huán)節(jié)處受意外損傷、臺(tái)架電機(jī)冷卻系統(tǒng)影響等。通過(guò)對(duì)電機(jī)盤(pán)轉(zhuǎn)和空載運(yùn)行，并返廠分解檢查，未發(fā)現(xiàn)異物卡滯，電機(jī)運(yùn)行性能參數(shù)基本滿足出廠技術(shù)規(guī)范的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；軸分析結(jié)果為無(wú)外部損傷；發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查也未發(fā)現(xiàn)異物卡滯；臺(tái)架電機(jī)冷卻系統(tǒng)檢查未見(jiàn)異常。由此推斷，外部因素不是斷軸的主要原因。

3.3 軸自身因素分析

電機(jī)軸自身加工缺陷、材料缺陷、軸疲勞等雖不會(huì)產(chǎn)生大的力矩，但可降低軸薄弱環(huán)節(jié)扭斷扭矩極限值。制造單位對(duì)該批軸材料質(zhì)量、加工工藝、薄弱環(huán)節(jié)扭斷力矩等進(jìn)行了復(fù)檢，均滿足設(shè)計(jì)要求。因此，電機(jī)斷軸與軸的材料、加工工藝、疲勞因素?zé)o關(guān)。

3.4 聯(lián)接機(jī)械因素分析

電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝分成兩部分，一部分為電機(jī)安裝端面通過(guò)卡箍與發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣連接，另一部分為電機(jī)軸通過(guò)花鍵與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系聯(lián)接。分解檢查安裝結(jié)合面的內(nèi)貼合度、配合尺寸變化、傳動(dòng)系同軸度、發(fā)動(dòng)機(jī)軸系同軸度及彎曲情況，均符合設(shè)計(jì)要求，表明上述因素也不是斷軸的原因。

3.5 電氣控制因素分析

由于臺(tái)架為新建設(shè)備，各系統(tǒng)電氣聯(lián)系較多，交直流線路、強(qiáng)弱電線路以及接地(包括直流地、交流地、測(cè)試系統(tǒng)地、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器接地等)非常復(fù)雜。除此之外，還涉及到線路設(shè)計(jì)、線路連接、電機(jī)、繼電器控制箱(對(duì)電機(jī)起動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行直接控制)、測(cè)試系統(tǒng)、臺(tái)架起動(dòng)直流電源、臺(tái)架交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和大功率接觸器等，甚至可能直接涉及到繼電器控制箱等內(nèi)部元件。

經(jīng)排查，未發(fā)現(xiàn)電氣系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、臺(tái)架接線、繼電器控制箱和電機(jī)等存在問(wèn)題，但可能存在電磁干擾、電源特性與電機(jī)特性不匹配兩種情況，均有可能產(chǎn)生大的沖擊電流，引起大的沖擊扭矩，從而導(dǎo)致斷軸。通過(guò)對(duì)比故障與正常時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)的電機(jī)沖擊電流并不是特別大，且比正常情況小(空載)。

圖4 冷運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線Fig.4 Cold operation characteristics

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，利用電磁學(xué)與電機(jī)學(xué)基本原理，對(duì)電機(jī)輸出扭矩進(jìn)行了估算，估算式如下[5]：

式中：T為電機(jī)輸出扭矩，CT為電機(jī)扭矩常數(shù)，Φ為電機(jī)氣隙磁通，Ia為電樞電流。

計(jì)算所得扭矩值遠(yuǎn)低于軸的設(shè)計(jì)扭斷力矩(靜態(tài)，75±3 N·m；動(dòng)態(tài)無(wú)參數(shù))。分析認(rèn)為，可能是數(shù)據(jù)測(cè)量頻率不夠高，沒(méi)有測(cè)到電流最大值。

排查時(shí)改用動(dòng)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)(采樣頻率10 kHz)，然而采集到的電流值也不大，但發(fā)現(xiàn)測(cè)量勵(lì)磁電壓和起動(dòng)電壓時(shí)有干擾信號(hào)，且信號(hào)幅值最大達(dá)63 V，需進(jìn)一步排查電磁干擾源。同時(shí)，還檢查了臺(tái)架起動(dòng)直流電源穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。不過(guò)由于設(shè)計(jì)要求中沒(méi)有對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)提出明確要求，這對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性匹配有一定影響，在后續(xù)工作中繼續(xù)排查。

3.6 電磁干擾因素分析

為進(jìn)一步排查電磁干擾因素，在解決了搭碰、臺(tái)架接地與交流地已通(設(shè)計(jì)應(yīng)不通)等問(wèn)題后，對(duì)電纜、接頭上的細(xì)小銅絲、屏蔽層破損、臺(tái)面后的接線排/接線柱連接、測(cè)量的電壓、電流線路、電流互感器等進(jìn)行了檢查和清理，發(fā)現(xiàn)隨后進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)檢查開(kāi)車(chē)在正常起動(dòng)中也存在干擾情況。因此，可認(rèn)為測(cè)量參數(shù)中顯示出的電磁干擾信號(hào)不是斷軸的主要原因。

3.7 電源特性因素分析

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，更換電機(jī)后發(fā)生故障前的一次試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)歷程完整，故可認(rèn)為斷軸故障不是發(fā)生在上一次運(yùn)轉(zhuǎn)末，而是發(fā)生在沒(méi)有數(shù)據(jù)顯示的剛開(kāi)始起動(dòng)時(shí)。

在排查初期忽略了起動(dòng)直流電源特性這一因素。所用的起動(dòng)直流電源是重新定制的電源，新電源無(wú)明確的動(dòng)態(tài)特性要求。而老電源有動(dòng)態(tài)特性要求，且對(duì)電流上升速率有一定的限制，該限制是專(zhuān)門(mén)針對(duì)該電機(jī)的新使用特點(diǎn)而制定的。

從試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)可看出：電壓從原始0 V狀態(tài)上升到給定值的時(shí)間，或電流從0 A上升到最大值的時(shí)間，新電源比老電源短得多，新電源曲線斜率約為老電源的2.8倍(見(jiàn)圖5)。根據(jù)有關(guān)電機(jī)斷軸故障分析統(tǒng)計(jì)認(rèn)為，有間隙的情況下，電流急速上升與緩慢上升對(duì)電機(jī)的沖擊力相差較大，特別是間隙較大時(shí)，這種沖擊力會(huì)增大很多倍。正常起動(dòng)時(shí)扭矩約為37 N·m，而新電源的電流上升速率太快，使得沖擊扭矩猛增，當(dāng)其超過(guò)電機(jī)軸薄弱環(huán)節(jié)的扭矩極限時(shí)，電機(jī)軸斷裂。

圖5 電源電流上升特性對(duì)比Fig.5 Power supply characteristics comparison

根據(jù)上述分析，對(duì)臺(tái)架起動(dòng)直流電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性調(diào)整，延滯電壓上升速率，從而限制電流上升速率(調(diào)整后的電源特性見(jiàn)圖5)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，調(diào)整直流電源動(dòng)態(tài)特性后，電機(jī)軸未發(fā)生斷軸故障，試驗(yàn)結(jié)果正常，且后續(xù)進(jìn)行的大量試驗(yàn)中，也未發(fā)生斷軸故障，至此解決了電機(jī)斷軸故障。同時(shí)，還認(rèn)為起動(dòng)電源的穩(wěn)態(tài)特性硬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，會(huì)對(duì)電機(jī)起動(dòng)產(chǎn)生大的沖擊電流，從而導(dǎo)致在電機(jī)軸上產(chǎn)生一個(gè)大的沖擊扭矩。

對(duì)于采用高采樣頻率和高響應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，仍然沒(méi)有測(cè)到大的沖擊電流的問(wèn)題，經(jīng)討論分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)量起動(dòng)電流采用的是霍爾電流互感器，其響應(yīng)速度不夠，測(cè)不到大的沖擊電流，因此決定采用分流電阻進(jìn)行直接測(cè)量。換裝分流器，并用等效電阻代替電機(jī)，采樣頻率10 kHz，進(jìn)行起動(dòng)電流模擬測(cè)量試驗(yàn)。測(cè)得沖擊電流峰值接近1 200 A(見(jiàn)圖6)，約為電流互感器測(cè)試值的3倍。這也驗(yàn)證了起動(dòng)電源穩(wěn)態(tài)特性硬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，確實(shí)會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生大的沖擊電流，導(dǎo)致電機(jī)軸產(chǎn)生大的沖擊力矩。再與齒輪系間的間隙、游隙在加速度下產(chǎn)生的沖擊力疊加，使得電機(jī)的初始扭矩增大并超過(guò)電機(jī)軸的扭矩極限。

圖6 不同方式所測(cè)起動(dòng)電流對(duì)比Fig.6 Comparison of starting currents by different ways

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了引起電機(jī)輸出軸斷裂的各種因素，通過(guò)制定故障樹(shù)及相應(yīng)的解決措施，最終明確了電機(jī)輸出軸斷裂的原因，是由于起動(dòng)電源動(dòng)態(tài)特性與電機(jī)不匹配所致。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了措施的可行性和有效性，以及分析的正確性，排故效果令人滿意。本文分析方法及結(jié)果可為相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供參考。

[1]謝軍.航空電機(jī)學(xué)[M].1版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：10—14.

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Output Shaft Rupture Failure Analysis for an Aviation Direct Current Start Generator

QIAN Xing-liang，LUO Zai-qi，PU Xiao-xia，MA Qian-rong
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The measures taken by the output shaft of an aviation direct current start generator are paper in?troduced for protecting the safety of the engine.And then the rupture factors of the output shaft weakness part are analyzed.Resolution was figured out according to the failure reason and was put to the experimenta?tion.The experimental results indicated that the analysis of output shaft rupture cause was correct,the reso?lution was reasonable and the effect was satisfying.

direct current start generator；output shaft；rupture；power supply characteristic；impact torque

V231.95

A

1672-2620(2012)01-0054-04

2011-04-12；

2011-12-26

錢(qián)興良(1985-)，男，四川成都人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。