李文輝

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

某型直升機交流發(fā)電機斷軸故障分析及改進(jìn)

李文輝

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

交流發(fā)電機是交流電源系統(tǒng)的重要組成部分。針對某型機交流發(fā)電機地面聯(lián)試過程中出現(xiàn)斷軸故障現(xiàn)象，通過機理分析查找斷軸原因，進(jìn)而對交流發(fā)電機彈性軸進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)和驗證。

交流發(fā)電機；斷軸；故障分析

0 引言

交流發(fā)電機是交流電源系統(tǒng)的重要組成部分。某型機交流發(fā)電機額定功率30KVA，安裝在主減速器附件機匣上，與交流發(fā)電機控制器、交流配電盒等組成主交流電源系統(tǒng)，向全機交流負(fù)載提供115/200V、400Hz三相交流電。

本文針對某型機交流發(fā)電機在地面聯(lián)試突加、突卸試驗項目中出現(xiàn)的5次斷軸故障進(jìn)行研究，對發(fā)生斷軸的機理進(jìn)行了詳細(xì)分析，查找斷軸的原因，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品完全符合設(shè)計圖紙及技術(shù)指標(biāo)要求，最終確定為共振引起的故障。對交流發(fā)電機彈性軸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計及試驗驗證、裝機驗證。

1 交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)分析

某型機交流發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用典型的三級航空交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)，具體見圖1。交流發(fā)電機采用雙軸承支撐，自帶風(fēng)扇冷卻，采用ISO標(biāo)準(zhǔn)花鍵傳動，卡箍聯(lián)接。交流發(fā)電機主要由主發(fā)電機、勵磁機、永磁機、三相半波旋轉(zhuǎn)整流裝置、風(fēng)扇及結(jié)構(gòu)件組成。其中，主交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子組件、勵磁機電樞組件和永磁機轉(zhuǎn)子組件安裝在同一根空心軸上。交流發(fā)電機機殼、端蓋及風(fēng)罩選用高強度鋁合金材料。

圖1 交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

通過5次斷軸故障發(fā)現(xiàn)，均在交流發(fā)電機彈性軸剪切徑部位斷裂(見圖2)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活，無卡滯現(xiàn)象。

圖2 彈性軸剪切徑斷裂部位

2 故障定位

對斷裂的彈性軸進(jìn)行理化分析，分析認(rèn)為材質(zhì)和硬度符合設(shè)計圖紙規(guī)定的要求，斷裂與材質(zhì)無關(guān)，屬于扭轉(zhuǎn)過載斷裂。

彈性軸設(shè)計時，經(jīng)過扭轉(zhuǎn)剪切校核，具備抗扭轉(zhuǎn)剪切能力約5倍余量。從試驗情況看，在斷軸前出現(xiàn)3s以上的振動，說明凈扭轉(zhuǎn)力矩超出150Nm造成彈性軸扭轉(zhuǎn)力矩過大導(dǎo)致彈性軸斷裂的可能性也是不大的(凈扭轉(zhuǎn)造成斷裂時間極短，通常在1s以內(nèi))。斷口形狀與彎曲振動斷裂形成的斷面不一致，未見其他部件損壞(除彈性軸剪切徑處)，與彎曲斷裂現(xiàn)象不一致，基本可以排除彎曲振動造成彈性軸斷裂的可能性。

通過幾次斷軸試驗中對電壓、電流和勵磁電流的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品分別在20kVA、30kVA負(fù)載條件下運行，工作正常，再按30kVA的20%負(fù)載突加至170%負(fù)載時，有33Hz的振蕩電流，運行3s后(見圖3)，彈性軸斷裂。

通過以上檢查和分析，導(dǎo)致彈性軸斷裂的原因初步定位為：彈性軸扭轉(zhuǎn)過載斷裂，造成這一現(xiàn)象的原因為傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振。

圖3 30kVA的20%負(fù)載突加至170%負(fù)載時33Hz振蕩電流圖

3 機理分析與故障復(fù)現(xiàn)

針對上述問題定位進(jìn)行機理分析：

1)由于交流發(fā)電機廠內(nèi)驗收試驗中未發(fā)生彈性軸斷裂，而在主機所內(nèi)地面聯(lián)試試驗中連續(xù)發(fā)生斷裂，此現(xiàn)象反映出兩者試驗系統(tǒng)存在差別，而該差別主要為拖動系統(tǒng)的差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，主機所內(nèi)試驗臺驅(qū)動系統(tǒng)附加到彈性軸的轉(zhuǎn)動慣量可能會大于產(chǎn)品廠家試驗臺，因而懷疑附加的轉(zhuǎn)動慣量造成彈性軸的扭轉(zhuǎn)頻率異常降低，同時齒輪箱有相近頻率的激勵成份(35Hz左右)傳遞過來，從而造成扭轉(zhuǎn)共振，導(dǎo)致彈性軸斷裂。

2)通過分析認(rèn)為主機所驅(qū)動系統(tǒng)規(guī)格高于廠家試驗系統(tǒng)，其齒輪軸可能附加在彈性軸的轉(zhuǎn)動慣量要大于廠家，因而其一階扭轉(zhuǎn)固頻下降更多，至35Hz時，驅(qū)動系統(tǒng)中可能存在相近頻率的扭轉(zhuǎn)激勵，使得此時一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)激發(fā)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)共振，造成彈性軸迅速扭轉(zhuǎn)斷裂。

為模擬主機所的試驗現(xiàn)象，廠家選擇同類型試驗臺進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。在直流拖動臺高速端口進(jìn)行發(fā)電機突加卸負(fù)載試驗時，拖動臺出現(xiàn)異常響聲，及時停止試驗，拆下發(fā)電機彈性軸進(jìn)行損傷檢查，未發(fā)現(xiàn)損傷。加裝加速度傳感器監(jiān)測發(fā)電機振動情況，與在110kW拖動臺的試驗對比，通過振動掃頻監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在110kW拖動臺上進(jìn)行試驗時，其低頻共峰點為51Hz(圖4)，而在K938 500 hp拖動臺高速端口進(jìn)行試驗時，其低頻共峰點為35Hz(圖5)，與在主機所進(jìn)行試驗時產(chǎn)生的33Hz的振蕩電流頻率比較接近。

圖4 試驗測得在110kW拖動臺無故障運行時

圖5 試驗測得在500hp K938拖動臺35kVA負(fù)載

一般情況下共振是有害的，會引起機械和結(jié)構(gòu)很大的變形和動應(yīng)力，甚至造成破壞性事故。交流發(fā)電機斷軸就是共振破壞性最好的例子。防止共振有以下措施：改變機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或改變激勵，使機械系統(tǒng)的固有頻率避開激勵頻率；采用減振裝置；機械起動或停車中快速通過共振區(qū)。

4 設(shè)計改進(jìn)及驗證

根據(jù)上述斷裂故障機理分析及故障復(fù)現(xiàn)，要解決此斷裂問題，關(guān)鍵點在于提高傳動軸的扭轉(zhuǎn)一階固有頻率，以避開驅(qū)動系統(tǒng)中可能存在的近似頻率扭轉(zhuǎn)激勵，因此從設(shè)計角度看，可能的改進(jìn)措施包括縮短彈性軸長度和增大彈性軸直徑兩個方面。

結(jié)合產(chǎn)品的實際生產(chǎn)和工作情況，改進(jìn)方向選取增大直徑，使彈性軸提高其剛性，從而改變其動態(tài)特性，具體改進(jìn)如圖6所示。

圖6 彈性軸調(diào)整前后變化

直徑Φ9mm軸段調(diào)整為Φ10.5mm。

剪切徑Φ8.1mm調(diào)整為Φ8.6mm，其圓弧R2mm調(diào)整為R5mm，軸向位置向大花鍵處靠近14mm。

將剪切徑兩邊的直徑Φ10mm調(diào)整為Φ12.8mm。

將臺階端面右側(cè)15.5mm長度的直徑由Φ10mm調(diào)整為Φ16mm。

改進(jìn)后的彈性軸在地面聯(lián)試過程中沒有再出現(xiàn)斷軸故障，鑒定試驗及裝機驗證結(jié)果表明，改進(jìn)后的交流發(fā)電機斷軸故障得到有效解決。

5 結(jié)論

采用本文提出的彈性軸設(shè)計改進(jìn)方法改進(jìn)后的彈性軸通過了試驗驗證和裝機驗證，對后續(xù)交流發(fā)電機的研制和工程應(yīng)用具有較大的參考價值。

[1] 劉迪吉.航空電機學(xué)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1986.

[2] 某型發(fā)電機彈性軸斷裂分析報告[Z].國營第一一五廠,2014.

[3] 某型機交流電源系統(tǒng)地面聯(lián)試試驗大綱[Z]. 中航602所，2013.

[4] 某型發(fā)電機傳動彈性軸斷裂故障分析報告[Z]。西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，2014.

A Certain Type of Helicopter Alternator Broken Shaft Failure Analysis and Improvement

LI Wenhui

(Naval Aeronautical Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333000, China)

Alternator is a important part of the AC power supply system. This paper aimed at the alternator shaft broken fault occurred in the joint test from one type of helicopter, searched the reason of broken shaft by study of reaction mechanism, and then a better design for the alternator shaft was made and verified.

alternator; broken shaft; fault analysis

2016-06-06

李文輝(1968-)， 男，江西新建人，本科，高級工程師，主要研究方向：航空機械。

1673-1220(2016)04-051-03

V242.44

A