轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗的實現(xiàn)

孫 毅，翟成超，鐘玲亮，劉慧芳，張 毅，陳宗海，瞿天驕，馮文龍

（1.福特汽車工程研究 （南京）有限公司，江蘇 南京 211100；2.成都華川電裝有限責(zé)任公司，四川 成都 610100；3.長安福特汽車有限公司，重慶 401120）

汽車起動機用來起動發(fā)動機，是汽車啟動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而作為起動機力矩和轉(zhuǎn)速的傳遞者，轉(zhuǎn)子是起動機的重要子部件。其一般由電樞軸、鐵芯、端板、換向器、漆包線及絕緣紙等組成。因其裝配零部件較多，生產(chǎn)工藝及工序多而復(fù)雜，且在行車極限工況可能會發(fā)生積熱事件，因此轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)的好壞將直接影響發(fā)動機的起動和可靠性。為保證起動機能可靠工作，需要對轉(zhuǎn)子在一定溫度及一定轉(zhuǎn)速下的結(jié)構(gòu)可靠性及工藝品質(zhì)進行考核，因此高溫空載超速是轉(zhuǎn)子品質(zhì)控制，極限強度考核的一種試驗方法。一般工程規(guī)范或者技術(shù)要求會給定在一定溫度下一定的轉(zhuǎn)速下運行規(guī)定的時間，試驗后檢查轉(zhuǎn)子是否完好，有無漆包線甩散，絕緣漆脫落現(xiàn)象以及影響起動機正常運行的缺陷等。并通過升高轉(zhuǎn)速，記錄轉(zhuǎn)子的破壞轉(zhuǎn)速。評估轉(zhuǎn)子的安全余量。由于轉(zhuǎn)子的超高轉(zhuǎn)速，零部件存在甩散的可能性，如果不加防護裝置，試驗存在較大風(fēng)險。目前國內(nèi)僅有針對大直徑轉(zhuǎn)子高溫超速試驗的試驗臺［1］，針對當(dāng)前領(lǐng)域小直徑的起動機用轉(zhuǎn)子的高溫超速試驗裝置屬于空白，此前，均是外協(xié)至國外做該試驗，成本高、周期長。

本文以起動機用轉(zhuǎn)子為研究對象，通過自制搭建，重點考慮了高溫裝置的加裝，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗，這為應(yīng)用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的品質(zhì)控制和工作轉(zhuǎn)速的驗證以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的極限強度試驗提供了驗證手段。同時解決了轉(zhuǎn)子在超高速運轉(zhuǎn)過程中由于極大的離心力，極大可能造成試驗人員人身安全的問題，克服了需要轉(zhuǎn)子獨立運行完成超速試驗的問題，所述裝置簡單易行、成本較低、安全可靠，同時也節(jié)約了時間，提高了測試效率，同時也在本領(lǐng)域搭建了測試平臺，填補了空白。

1 轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗的總體方案概述

1.1 轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗要求

空載超速試驗是利用旋轉(zhuǎn)構(gòu)件高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強大離心力，并以其空載轉(zhuǎn)速的1.25或1.5倍運行一定時間，來驗證提高旋轉(zhuǎn)構(gòu)件工作安裝可靠性的一種試驗方法。高溫空載超速試驗首先要在常溫下測試被測試件的空載轉(zhuǎn)速，并將被測試件置于230℃的試驗環(huán)境中，然后以1.5倍的空載轉(zhuǎn)速運行30s，轉(zhuǎn)子不能發(fā)生甩漆和漆包線炸開及零件飛出的情況，保證轉(zhuǎn)子的機械強度；繼續(xù)增加空載轉(zhuǎn)速，直至轉(zhuǎn)子失效，記錄此時轉(zhuǎn)子失效的轉(zhuǎn)速。

1.2 環(huán)境溫度對轉(zhuǎn)子超速試驗的影響

關(guān)于試驗溫度對超速試驗的影響，從整車應(yīng)用角度而言，超速一般發(fā)生在一段長時間的運行之后，這里就要引入溫度因素對材料的影響。對于超速試驗，從以下兩個維度考慮。

1）材料的機械性能，包括屈服強度和抗拉強度，會隨著溫度的上升而顯著下降 （高達20%~30%），更容易導(dǎo)致破壞和失效，因此對于高溫下轉(zhuǎn)子的極限轉(zhuǎn)速的驗證十分重要。

2）材料的物理性能，具體指熱膨脹性。當(dāng)電樞軸與轉(zhuǎn)子鐵芯片之間存在溫差，同時在極限轉(zhuǎn)速作用下會有徑向位移發(fā)生；同樣也會引起初始角的改變。在過盈量設(shè)計之初，對轉(zhuǎn)子惡劣工況的考慮尤為必要。

1.3 轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗的總體方案

轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗的總體方案構(gòu)成如圖1所示。由防護及加溫裝置、溫度顯示、臺架耐久測試臺、計算機顯示及數(shù)據(jù)采集及起動機構(gòu)成轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗系統(tǒng)。通過伺服電機調(diào)節(jié)飛輪端的轉(zhuǎn)速，使飛輪驅(qū)動起動機小齒輪轉(zhuǎn)動進而驅(qū)動轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)動，達到“超速”的目的。為保證試驗安全，避免發(fā)生意外事故，增加了防護裝置，保證試驗安全進行。

圖1 轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗的總體方案構(gòu)成

2 轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗裝置的實現(xiàn)

2.1 防護加溫裝置及溫度顯示

根據(jù)轉(zhuǎn)子高溫空載超速試驗的要求和特點，由于試驗可能存在有害變形，會出現(xiàn)零件損壞或者零件甩出且需要在高溫230℃下進行等，本試驗設(shè)置了防護加溫裝置和溫度顯示，如圖2所示：具體為該裝置設(shè)置為一個壁厚為11mm的長方體，內(nèi)里空間容積為0.017m3，外形長×寬×高=232×324×232mm。幾個面由外層4mm厚的不銹鋼鋼板+中間3mm厚的石棉絕熱板+內(nèi)層2mm的不銹鋼鋼板組成。為了使防護保溫裝置的內(nèi)腔溫度達到230℃，選用了LANSITE溫州藍斯特焊接設(shè)備廠的SHX4熱風(fēng)器，其出風(fēng)量32m3/h，最高出風(fēng)溫度650℃，可以通過旋轉(zhuǎn)熱風(fēng)器上的按鈕設(shè)置出風(fēng)口的溫度，本試驗中，內(nèi)腔環(huán)境溫度要求230℃，考慮能量損耗和起動機轉(zhuǎn)子材料耐溫，故而設(shè)置出風(fēng)口的溫度為240℃。為了監(jiān)測內(nèi)腔溫度，采用了耐高溫型熱電偶和溫度顯示裝置，其可以通過與熱電偶連接，顯示防護保溫裝置內(nèi)部的實時溫度，一旦檢測到內(nèi)腔溫度達到230℃，則關(guān)閉熱風(fēng)器。

圖2 防護加溫裝置及溫度顯示

2.2 模擬臺架耐久測試臺

試驗設(shè)備主要是由模擬臺架、測控柜、變頻柜、模擬蓄電池電源幾個部分組成。這里著重說明下西門子驅(qū)動電機，如圖3所示，其選用1PH系列40kW，此電機按照德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO）的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格認證的。采用F絕緣制造，機械零部件加工精度高，能勝任高速運轉(zhuǎn)。強制通風(fēng)散熱系統(tǒng)，全部采用軸流風(fēng)機超靜音、高壽命，強勁風(fēng)力。保障馬達在任何轉(zhuǎn)速下，得到有效的散熱，可實現(xiàn)高速或低速長期運行。此系列電機的優(yōu)點：高效率、節(jié)能、大啟動扭矩、卓越的性能、低噪聲、低振動、高可靠性等。被廣泛應(yīng)用于自動化過程運動控制場合中。這里選擇伺服電機作為模擬發(fā)動機負載電機，然后利用伺服電機的恒轉(zhuǎn)速模式，可以根據(jù)用戶設(shè)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化值進行轉(zhuǎn)速的抖動來實現(xiàn)模擬發(fā)動機扭振的模擬。驅(qū)動電機輸出最大可達2800r/min，由于飛輪和驅(qū)動電機是同軸的，故而飛輪端的轉(zhuǎn)速最高也可達2800r/min，完全可以滿足起動機的需要。

圖3 驅(qū)動電機

2.3 計算機顯示和數(shù)據(jù)采集

本測試系統(tǒng)采用了美國NI儀器的數(shù)據(jù)采集卡，利用圖形化編程語言Labview2009。利用計算機強大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件［6］。在操作時，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，來檢驗儀器的通信和操作。本試驗就在圖4所示的界面輸入伺服轉(zhuǎn)速，然后通過伺服電機轉(zhuǎn)速驅(qū)動起動機進行機械旋轉(zhuǎn)。

圖4 計算機顯示和數(shù)據(jù)采集界面

2.4 被測對象起動機

由于起動機是行星輪減速式電機，電機內(nèi)部存在減速比，飛輪和起動機小齒輪之間還存在傳動比，這樣依靠飛輪齒圈機械地傳輸轉(zhuǎn)速給起動機轉(zhuǎn)子，由于存在了兩級加速，這樣起動機的轉(zhuǎn)子便實現(xiàn)了超速。為了實現(xiàn)該試驗的進行，起動機做了如下特殊處理。

1）起動機的電磁開關(guān)是去掉的，如圖5所示。

2）起動機單向器具有單向打滑功能，一旦超過相應(yīng)轉(zhuǎn)速，則單向打滑，無法驅(qū)動轉(zhuǎn)子，故而單向器和輸出軸是焊死的，且小齒輪始終處于嚙合位置，如圖6所示。

圖5 取掉電磁開關(guān)的起動機

3 試驗研究

本高溫超速試驗系統(tǒng)飛輪齒圈端的最高工作轉(zhuǎn)速可達2800r/min，最高加熱溫度為650℃，可以進行加溫的超速和加溫耐久等試驗項目。為了驗證上述搭建的高溫超速試驗系統(tǒng)，我們將被測試起動機裝在模擬臺架耐久測試工裝上，保證飛輪齒圈和單向器小齒輪完全嚙合，然后將防護保溫裝置罩在起動機外邊，用熱風(fēng)器加熱，然后使防護保溫內(nèi)腔內(nèi)環(huán)境溫度達到230℃，隨即開始試驗。

圖6 輸出軸和單向器焊死的減速器總成

假設(shè)選用某型起動機進行試驗，假設(shè)飛輪齒圈和小齒輪之間的傳動比為8.62；起動機內(nèi)部減速比為5.67，小齒輪端的空載轉(zhuǎn)速4000r/min，則電樞端轉(zhuǎn)速21375.9r/min，飛輪齒圈端轉(zhuǎn)速461.3r/min，則1.5倍的空載轉(zhuǎn)速則為：1.5×461.3=692r/min，則在測試系統(tǒng)里輸入656r/min，開始運轉(zhuǎn)30s，然后拆解看轉(zhuǎn)子情況，如圖7所示，轉(zhuǎn)子完好；將電機裝好，繼續(xù)升溫至230℃，繼續(xù)升轉(zhuǎn)速，測出轉(zhuǎn)子的破壞轉(zhuǎn)速并記錄，如圖8所示。本電機最終測試出轉(zhuǎn)子破壞轉(zhuǎn)速為49000r/min，飛輪齒圈端的轉(zhuǎn)速為1003r/min。該轉(zhuǎn)速是小于驅(qū)動電機最高運轉(zhuǎn)2800r/min的，故而是安全可靠的。

圖7 1.5倍空載轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子運行30s后的情況@230℃

圖8 轉(zhuǎn)子破壞轉(zhuǎn)速49000r/min后的情況@230℃

同時試驗可以在常溫和高溫兩種工況下進行，工況及實測如表1所示。

表1 兩種試驗工況實測記錄

從試驗結(jié)果可以看出，230℃下轉(zhuǎn)子的破壞轉(zhuǎn)速約為49000r/min，相比常溫23℃下的破壞轉(zhuǎn)速下降了約10000r/min，這對材料的機械性能和物理性能的驗證起到了尤為重要的作用。同時對轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)強度以及可靠性起到了很重要的作用。

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)子高溫超速耐久是驗證轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可靠性及工藝裝配品質(zhì)的重要手段，本文搭建的高溫超速試驗系統(tǒng)能夠驗證轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度和可靠性以及材料的機械性能和物理性能，同時本系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，實際運行可靠，該系統(tǒng)的實現(xiàn)，為起動機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度和可靠性做了很好的評估，充分保證了起動機在實車上的可靠性。同時，本系統(tǒng)的成功搭建，也填補了本領(lǐng)域小型轉(zhuǎn)子高溫超速實驗裝置的空白，具有重要的應(yīng)用價值。