某型直升機(jī)交流發(fā)電機(jī)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)

某型直升機(jī)交流發(fā)電機(jī)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(jī)是交流電源系統(tǒng)的重要組成部分。針對某型機(jī)交流發(fā)電機(jī)地面聯(lián)試過程中出現(xiàn)斷軸故障現(xiàn)象，通過機(jī)理分析查找斷軸原因，進(jìn)而對交流發(fā)電機(jī)彈性軸進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)和驗(yàn)證。

交流發(fā)電機(jī)；斷軸；故障分析

0 引言

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

本文針對某型機(jī)交流發(fā)電機(jī)在地面聯(lián)試突加、突卸試驗(yàn)項(xiàng)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(jī)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(jì)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(jī)彈性軸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證、裝機(jī)驗(yàn)證。

1 交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析

某型機(jī)交流發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用典型的三級航空交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，具體見圖1。交流發(fā)電機(jī)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(dòng)，卡箍聯(lián)接。交流發(fā)電機(jī)主要由主發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、永磁機(jī)、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(jī)轉(zhuǎn)子組件、勵(lì)磁機(jī)電樞組件和永磁機(jī)轉(zhuǎn)子組件安裝在同一根空心軸上。交流發(fā)電機(jī)機(jī)殼、端蓋及風(fēng)罩選用高強(qiáng)度鋁合金材料。

圖1 交流發(fā)電機(jī)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(jī)彈性軸剪切徑部位斷裂(見圖2)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(jì)時(shí)，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(yàn)情況看，在斷軸前出現(xiàn)3s以上的振動(dòng)，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(shí)間極短，通常在1s以內(nèi))。斷口形狀與彎曲振動(dòng)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(dòng)造成彈性軸斷裂的可能性。

通過幾次斷軸試驗(yàn)中對電壓、電流和勵(lì)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(yùn)行，工作正常，再按30kVA的20%負(fù)載突加至170%負(fù)載時(shí)，有33Hz的振蕩電流，運(yùn)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?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)共振。

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

3 機(jī)理分析與故障復(fù)現(xiàn)

針對上述問題定位進(jìn)行機(jī)理分析：

1)由于交流發(fā)電機(jī)廠內(nèi)驗(yàn)收試驗(yàn)中未發(fā)生彈性軸斷裂，而在主機(jī)所內(nèi)地面聯(lián)試試驗(yàn)中連續(xù)發(fā)生斷裂，此現(xiàn)象反映出兩者試驗(yàn)系統(tǒng)存在差別，而該差別主要為拖動(dòng)系統(tǒng)的差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，主機(jī)所內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)附加到彈性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可能會(huì)大于產(chǎn)品廠家試驗(yàn)臺(tái)，因而懷疑附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量造成彈性軸的扭轉(zhuǎn)頻率異常降低，同時(shí)齒輪箱有相近頻率的激勵(lì)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(jī)所驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)規(guī)格高于廠家試驗(yàn)系統(tǒng)，其齒輪軸可能附加在彈性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大于廠家，因而其一階扭轉(zhuǎn)固頻下降更多，至35Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可能存在相近頻率的扭轉(zhuǎn)激勵(lì)，使得此時(shí)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(jī)所的試驗(yàn)現(xiàn)象，廠家選擇同類型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。在直流拖動(dòng)臺(tái)高速端口進(jìn)行發(fā)電機(jī)突加卸負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，拖動(dòng)臺(tái)出現(xiàn)異常響聲，及時(shí)停止試驗(yàn)，拆下發(fā)電機(jī)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(jī)振動(dòng)情況，與在110kW拖動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)對比，通過振動(dòng)掃頻監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在110kW拖動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其低頻共峰點(diǎn)為51Hz(圖4)，而在K938 500 hp拖動(dòng)臺(tái)高速端口進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其低頻共峰點(diǎn)為35Hz(圖5)，與在主機(jī)所進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的33Hz的振蕩電流頻率比較接近。

圖4 試驗(yàn)測得在110kW拖動(dòng)臺(tái)無故障運(yùn)行時(shí)

圖5 試驗(yàn)測得在500hp K938拖動(dòng)臺(tái)35kVA負(fù)載

一般情況下共振是有害的，會(huì)引起機(jī)械和結(jié)構(gòu)很大的變形和動(dòng)應(yīng)力，甚至造成破壞性事故。交流發(fā)電機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或改變激勵(lì)，使機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率避開激勵(lì)頻率；采用減振裝置；機(jī)械起動(dòng)或停車中快速通過共振區(qū)。

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)及驗(yàn)證

根據(jù)上述斷裂故障機(jī)理分析及故障復(fù)現(xiàn)，要解決此斷裂問題，關(guān)鍵點(diǎn)在于提高傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)一階固有頻率，以避開驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可能存在的近似頻率扭轉(zhuǎn)激勵(lì)，因此從設(shè)計(jì)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(gè)方面。

結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)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(dòng)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(tái)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(yàn)及裝機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)后的交流發(fā)電機(jī)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(jì)改進(jìn)方法改進(jìn)后的彈性軸通過了試驗(yàn)驗(yàn)證和裝機(jī)驗(yàn)證，對后續(xù)交流發(fā)電機(jī)的研制和工程應(yīng)用具有較大的參考價(jià)值。

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

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

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

[4] 某型發(fā)電機(jī)傳動(dòng)彈性軸斷裂故障分析報(bào)告[Z]。西安交通大學(xué)機(jī)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(jī)械。

1673-1220(2016)04-051-03

V242.44

A