某型直升機交流發電機斷軸故障分析及改進

李文輝

(海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333000)

某型直升機交流發電機斷軸故障分析及改進

李文輝

(海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333000)

交流發電機是交流電源系統的重要組成部分。針對某型機交流發電機地面聯試過程中出現斷軸故障現象，通過機理分析查找斷軸原因，進而對交流發電機彈性軸進行設計改進和驗證。

交流發電機；斷軸；故障分析

0 引言

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

本文針對某型機交流發電機在地面聯試突加、突卸試驗項目中出現的5次斷軸故障進行研究，對發生斷軸的機理進行了詳細分析，查找斷軸的原因，發現產品完全符合設計圖紙及技術指標要求，最終確定為共振引起的故障。對交流發電機彈性軸進行改進設計及試驗驗證、裝機驗證。

1 交流發電機結構分析

某型機交流發電機總體結構設計采用典型的三級航空交流發電機結構，具體見圖1。交流發電機采用雙軸承支撐，自帶風扇冷卻，采用ISO標準花鍵傳動，卡箍聯接。交流發電機主要由主發電機、勵磁機、永磁機、三相半波旋轉整流裝置、風扇及結構件組成。其中，主交流發電機轉子組件、勵磁機電樞組件和永磁機轉子組件安裝在同一根空心軸上。交流發電機機殼、端蓋及風罩選用高強度鋁合金材料。

圖1 交流發電機結構示意圖

通過5次斷軸故障發現，均在交流發電機彈性軸剪切徑部位斷裂(見圖2)，發電機轉子轉動靈活，無卡滯現象。

圖2 彈性軸剪切徑斷裂部位

2 故障定位

對斷裂的彈性軸進行理化分析，分析認為材質和硬度符合設計圖紙規定的要求，斷裂與材質無關，屬于扭轉過載斷裂。

彈性軸設計時，經過扭轉剪切校核，具備抗扭轉剪切能力約5倍余量。從試驗情況看，在斷軸前出現3s以上的振動，說明凈扭轉力矩超出150Nm造成彈性軸扭轉力矩過大導致彈性軸斷裂的可能性也是不大的(凈扭轉造成斷裂時間極短，通常在1s以內)。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測數據發現，產品分別在20kVA、30kVA負載條件下運行，工作正常，再按30kVA的20%負載突加至170%負載時，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，導致彈性軸斷裂的原因初步定位為：彈性軸扭轉過載斷裂，造成這一現象的原因為傳動系統扭轉共振。

圖3 30kVA的20%負載突加至170%負載時33Hz振蕩電流圖

3 機理分析與故障復現

針對上述問題定位進行機理分析：

1)由于交流發電機廠內驗收試驗中未發生彈性軸斷裂，而在主機所內地面聯試試驗中連續發生斷裂，此現象反映出兩者試驗系統存在差別，而該差別主要為拖動系統的差異。進一步分析發現，主機所內試驗臺驅動系統附加到彈性軸的轉動慣量可能會大于產品廠家試驗臺，因而懷疑附加的轉動慣量造成彈性軸的扭轉頻率異常降低，同時齒輪箱有相近頻率的激勵成份(35Hz左右)傳遞過來，從而造成扭轉共振，導致彈性軸斷裂。

2)通過分析認為主機所驅動系統規格高于廠家試驗系統，其齒輪軸可能附加在彈性軸的轉動慣量要大于廠家，因而其一階扭轉固頻下降更多，至35Hz時，驅動系統中可能存在相近頻率的扭轉激勵，使得此時一階扭轉模態激發，產生扭轉共振，造成彈性軸迅速扭轉斷裂。

為模擬主機所的試驗現象，廠家選擇同類型試驗臺進行故障復現。在直流拖動臺高速端口進行發電機突加卸負載試驗時，拖動臺出現異常響聲，及時停止試驗，拆下發電機彈性軸進行損傷檢查，未發現損傷。加裝加速度傳感器監測發電機振動情況，與在110kW拖動臺的試驗對比，通過振動掃頻監測發現，在110kW拖動臺上進行試驗時，其低頻共峰點為51Hz(圖4)，而在K938 500 hp拖動臺高速端口進行試驗時，其低頻共峰點為35Hz(圖5)，與在主機所進行試驗時產生的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負載

一般情況下共振是有害的，會引起機械和結構很大的變形和動應力，甚至造成破壞性事故。交流發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：改變機械系統的結構或改變激勵，使機械系統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。

4 設計改進及驗證

根據上述斷裂故障機理分析及故障復現，要解決此斷裂問題，關鍵點在于提高傳動軸的扭轉一階固有頻率，以避開驅動系統中可能存在的近似頻率扭轉激勵，因此從設計角度看，可能的改進措施包括縮短彈性軸長度和增大彈性軸直徑兩個方面。

結合產品的實際生產和工作情況，改進方向選取增大直徑，使彈性軸提高其剛性，從而改變其動態特性，具體改進如圖6所示。

圖6 彈性軸調整前后變化

直徑Φ9mm軸段調整為Φ10.5mm。

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

將剪切徑兩邊的直徑Φ10mm調整為Φ12.8mm。

將臺階端面右側15.5mm長度的直徑由Φ10mm調整為Φ16mm。

改進后的彈性軸在地面聯試過程中沒有再出現斷軸故障，鑒定試驗及裝機驗證結果表明，改進后的交流發電機斷軸故障得到有效解決。

5 結論

采用本文提出的彈性軸設計改進方法改進后的彈性軸通過了試驗驗證和裝機驗證，對后續交流發電機的研制和工程應用具有較大的參考價值。

[1] 劉迪吉.航空電機學[M]. 北京:國防工業出版社,1986.

[2] 某型發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地面聯試試驗大綱[Z]. 中航602所，2013.

[4] 某型發電機傳動彈性軸斷裂故障分析報告[Z]。西安交通大學機械工程學院，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