交流發(fā)電機風扇組件斷裂故障分析

王鳳， 成智會， 朱麗

（陜西航空電氣有限責任公司，陜西興平713107）

交流發(fā)電機風扇組件斷裂故障分析

王鳳， 成智會， 朱麗

（陜西航空電氣有限責任公司，陜西興平713107）

某交流發(fā)電機在進行振動試驗時，風扇組件的葉片斷裂、鉚釘斷裂。分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過鹽浴釬焊，風扇葉片的抗拉強度降低，在振動過程中使風扇葉片產(chǎn)生過載斷裂，鉚釘疲勞斷裂。取消風扇組件的鹽浴釬焊，將風扇葉片厚度由0.6 mm改為0.8 mm，鉚釘直徑由φ2 mm增加到φ2.5 mm，軸套的劃窩角度由60°改為90°，成功地解決了該問題。

鹽浴釬焊；葉片；鉚釘；斷裂

0 引言

風扇組件是交流發(fā)電機的重要部件，目前，按風扇工作時空氣流動的方向可分為軸流風扇和徑流風扇（離心式），本文研究的交流發(fā)電機用風扇為徑流式。某交流發(fā)電機在進行振動試驗時，出現(xiàn)風扇組件葉片斷裂、鉚釘斷裂現(xiàn)象。為此，綜合運用冶金分析、結(jié)構(gòu)分析及模擬比對試驗，找出了導致風扇組件葉片及鉚釘斷裂的原因，并提出改進和預防措施。

1 故障分析

1.1 故障現(xiàn)象

某交流發(fā)電機進行振動試驗時，出現(xiàn)風扇組件的12個葉片斷裂，6個鉚釘斷裂故障，斷裂形貌及結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 風扇組件葉片斷裂形貌

圖2 風扇組件鉚釘斷裂形貌

圖3 風扇組件結(jié)構(gòu)圖

1.2 風扇組件結(jié)構(gòu)

風扇組件由軸套、支撐環(huán)、風扇葉片組成，軸套材料為2A12，支撐環(huán)材料分別為厚0.6 mm、1.0 mm的3A21，風扇葉片材料為厚0.6 mm的3A21，鉚釘為HB6233-2×5（直徑φ2），如圖3。

風扇組件加工工藝是先將兩支撐環(huán)和風扇葉片鉚接在一起后，再進行鹽浴釬焊、黑色陽極化，最后鉚接軸套、車外圓、校葉片、校偏擺、噴漆。

1.3 鉚釘斷裂原因分析

1）鉚釘斷裂冶金分析。

經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，6個斷裂鉚釘中1#鉚釘斷裂于鉚釘圓頭根部；2#鉚釘斷裂于靠近鉚釘平頭端的軸套裝配孔處，斷口較新，呈金屬灰色；其余4個鉚釘即3#、4#、5#、6#鉚釘均斷裂于鉚釘圓頭與平頭的中部，即斷裂位于鉚釘連接的支撐環(huán)A和軸套的接觸面處。

斷口經(jīng)清洗后，于VEGAⅡLMH掃描電鏡下觀察：1#、2#鉚釘斷口均為線源，并向中心擴展，其中1#鉚釘斷口全貌見圖4。其余4個鉚釘斷口磨損嚴重，均已看不到原始斷裂特征。1#鉚釘源區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)形貌分別見圖5～圖7，源區(qū)有擦傷痕跡，擴展區(qū)可見疲勞條帶，瞬斷區(qū)為韌窩特征。

圖4 1#鉚釘斷口形貌

圖5 1#鉚釘斷裂源區(qū)形貌

圖6 1#鉚釘擴展區(qū)形貌

圖7 1#鉚釘瞬斷區(qū)形貌

圖8 軸套示意圖

由斷口分析可知，1#、2#鉚釘斷口較新，為疲勞斷裂；3#、4#、5#、6#鉚釘斷口呈暗黑色，已磨損，說明3#、4#、5#、6#鉚釘早于1#、2#鉚釘斷裂。由于首斷件斷裂后振動試驗還在進行，所以斷口磨損嚴重，已無法從3#、4#、5#、6#鉚釘中找出首斷件。但由振動試驗的試驗特性分析可知，首斷件也應為疲勞斷裂。

2）鉚釘鉚接結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)分析。

風扇組件的支撐環(huán)和軸套用鉚釘進行鉚接時，鉚釘?shù)膶嶓w通過變形填充于軸套的60°劃窩中。經(jīng)過復查資料發(fā)現(xiàn)：軸套鉚接處的厚度為1.5 mm，在1.5 mm的厚度內(nèi)全部劃60°窩，見圖8所示。經(jīng)查閱資料可知，軸套材料為2A12、T4態(tài)，其強度遠遠高于鉚釘材料 3A21、Y態(tài)，也就是說，軸套裝配孔與鉚釘?shù)耐鈭A處形成線接觸，與鉚接時形成的殘余內(nèi)應力的疊加，在鉚釘桿外表面形成較大的應力集中。電機在振動試驗過程中，鉚釘會受到一交變外力，首先在應力集中部位形成疲勞源，隨著振動時間的延長裂紋進一步擴展，最終導致疲勞斷裂。

1.4 風扇葉片斷裂原因分析

1）風扇葉片斷裂冶金分析。

經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)，風扇組件的12個葉片均從靠近支撐環(huán)B連接根部斷裂。除斷裂葉片1#的外端有變形損傷外，其余葉片斷口均較平齊。整個斷面約50%面積有擦傷，呈金屬光澤外，其余部分斷口呈黑灰色。

斷口經(jīng)清洗后，于VEGAⅡLMH掃描電鏡下觀察，1#斷口邊緣損傷形貌如圖9所示；12個葉片斷口特征相同，均為擦傷加韌窩形貌，其中3#葉片斷口形貌如圖10所示。

圖9 1#葉片斷口損傷形貌

圖10 3#葉片斷口韌窩形貌

由斷口分析可知，該風扇葉片斷裂為一次性過載斷裂。1#葉片外端變形損傷可能是由于斷裂的鉚釘頭掉落于殼體與風扇組件的空隙中，啟動電機時產(chǎn)生卡滯，或風扇葉片斷裂后振動試驗繼續(xù)進行等導致；另外，風扇葉片整體過載斷裂說明該葉片受到的外力大于其所能承受的強度極限，或風扇葉片強度不足。

2）歷年產(chǎn)品檢查及同類風扇比對。

對歷年振動試驗后的產(chǎn)品進行分解檢查，其中一臺產(chǎn)品12個風扇葉片中有8個風扇葉片在靠近支撐環(huán)B端有裂紋。另一臺產(chǎn)品12個風扇葉片中有10個風扇葉片在靠近支撐環(huán)B端根部有裂紋。由此可見，風扇組件的葉片強度可能不足，風扇葉片存在一定的薄弱環(huán)節(jié)。

與同類產(chǎn)品某起動發(fā)電機的風扇組件相比，該交流發(fā)電機的風扇組件在加工過程中增加了鹽浴釬焊工序，而未進行鹽浴釬焊的某起動發(fā)電機風扇組件在多年使用過程中未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，可見鹽浴釬焊可能對風扇組件葉片強度有一定影響。

3）鹽浴釬焊對風扇材料性能的影響。

鹽浴釬焊是將零件局部或整體投入熔融態(tài)的鹽混合物（鹽浴）中，利用液態(tài)焊料在零件表面的潤濕，鋪層與零件相互溶解和擴散，在零件間隙中潤濕、毛細流動、填縫從而實現(xiàn)零件間的連接。鹽浴是加熱和保護零件不受氧化的介質(zhì)，溫度達到615～620℃。

風扇葉片使用的材料為3A21-H14鋁合金板，標準YS/ T213-1994，抗拉強度150～220 MPa。為了驗證焊接前后風扇葉片材料的性能，抽取厚度分別為0.6 mm、0.8 mm的試片進行焊接前后性能檢測，數(shù)據(jù)見表1。

表1 焊接前后性能測量數(shù)據(jù)

從表1可以看出，經(jīng)過鹽浴釬焊，風扇葉片的抗拉強度降低約30%～40%，延伸率提高約3～6倍。

因此，經(jīng)過鹽浴釬焊，風扇葉片的抗拉強度降低。在振動過程中使風扇葉片產(chǎn)生過載斷裂。

2 改進方案及試驗驗證

2.1 改進方案

1）增加風扇葉片的厚度，將葉片厚度由0.6 mm改為0.8 mm，以提高風扇葉片的強度；

2）取消風扇組件的鹽浴釬焊；

3）鉚釘由φ2 mm增加到φ2.5 mm，以提高鉚釘?shù)膹姸龋黾鱼T釘?shù)目辜裟芰Γ?/p>

4）軸套劃窩處增加直線部分0.2+0.150mm，將線接觸改為面接觸，以減少應力集中；軸套外圓相應地增加到φ62 mm，同時將劃窩角度由60°改為90°，以提高鉚接強度，如圖11所示。

圖11 改進前、后示意圖

2.2 試驗驗證

為了驗證改進方案的有效性，將兩臺定期產(chǎn)品的風扇組件更換為不進行鹽浴釬焊、風扇葉片0.8 mm、鉚釘HB6233-2.5×5、軸套結(jié)構(gòu)為改進后的風扇組件，按照某交流發(fā)電機技術(shù)要求進行振動、沖擊試驗及加速度試驗。試驗后檢查發(fā)現(xiàn)風扇組件葉片、鉚釘均完好、無裂紋。

為了全面驗證改進后風扇組件的環(huán)境適應性，按照某交流發(fā)電機技術(shù)要求從改進風扇組件的批生產(chǎn)產(chǎn)品中再抽取2臺進行高溫、低溫、振動、沖擊、加速度、高空、耐久性等環(huán)境試驗。試驗后檢查發(fā)現(xiàn)風扇組件葉片、鉚釘均完好、無裂紋。

3 結(jié)論

1）某交流發(fā)電機風扇組件葉片斷裂為過載斷裂，葉片過載斷裂與葉片經(jīng)鹽浴釬焊導致強度降低有關(guān)。

2）風扇組件鉚釘斷裂為疲勞斷裂，鉚釘疲勞斷裂主要是由于軸套劃窩結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導致。

3）取消風扇組件的鹽浴釬焊，將風扇葉片厚度由0.6mm改為0.8 mm，鉚釘直徑由φ2 mm增加到φ2.5 mm，軸套劃窩角度由60°改為90°，軸套劃窩處增加直線部分0.2+0.150，解決了某交流發(fā)電機風扇組件斷裂的問題，提高了產(chǎn)品可靠性和安全裕度。

［1］ 胡世炎.機械失效分析手冊（修訂本）［M］.成都：四川科學技術(shù)出版社，1999.

［2］ 張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［3］ 孫智，江利，應鵬展.失效分析基礎(chǔ)與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］《中國航空材料手冊》編輯：委員會.中國航空材料手冊［M］.北京：中國標準出版社，1988.

（編輯：立 明）

Fracture Failure Analysis for a AC Generator Fan Assembly

WANG Feng,CHENG Zhihui,ZHU Li
（Shaanxi Aero Electric Co.,Ltd.,Xingping 713107,China）

While an alternator is under the vibration-resistance,it is found that the vanes and rivets of the fan subassemblies are broken.The analysis found that the salt-bath and brazing could weaken the strength of extension, that would lead to the fatigue breaking of the rivets,and the overload breakage of the vanes.Then abolish the salt-bath and brazing of the fan subassembly,the thickness of the vanes is changed from 0.6mm to 0.8mm,the diameter of the rivets is increased from 2 to 2.5,the row nest angle of the shaft sleeve is altered from 60o to 90o and it work.

salt-bath and brazing;vane;rivet;breakage

TH 162.1

A

1002－2333（2014）04－0081－03

王鳳（1980—），女，工程師，主要從事電機裝配、試驗、工藝及故障分析等方面的工作。

2014-01-24