高速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子破裂故障仿真分析

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下,受到很大的離心力作用,可能出現(xiàn)因轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而導(dǎo)致電機(jī)掃膛或破裂,損傷發(fā)動(dòng)機(jī)的情況。本文以某臺(tái)交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障為例,對(duì)影響轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素進(jìn)行了分析和研究。該轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速為33000r/min時(shí)發(fā)生故障。本文采用有限元法對(duì)33000r/min轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)措施。

1故障現(xiàn)象

該故障轉(zhuǎn)子軸(磁輒)采用導(dǎo)磁性能好的電工純鐵DT4材料制作,采用粘結(jié)膠將磁鋼粘接在磁輒上;磁輒兩端采用熱壓工藝制作兩塊擋板;形成的轉(zhuǎn)子組件外圓與護(hù)套內(nèi)圓配合加工,保證過(guò)盈量在0.01~0.02mm,然后熱壓護(hù)套;最后在護(hù)套與擋板、擋板與磁輒之間激光焊接形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子各部分材料參數(shù)如表1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)在32000r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作1min后,轉(zhuǎn)速信號(hào)電壓在轉(zhuǎn)速上升階段下降0.3V左右,然后再大幅下降直至信號(hào)消失。拆開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)后,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子已破裂,如圖1所示。

圖1轉(zhuǎn)子及其故障照片

2轉(zhuǎn)子故障仿真分析

2.1轉(zhuǎn)子故障工況仿真

根據(jù)轉(zhuǎn)子實(shí)際工作環(huán)境溫度,對(duì)轉(zhuǎn)子施加120℃溫度載荷和33000r/min離心載荷。分析得出磁鋼的最大應(yīng)力為11MPa,擋圈的最大應(yīng)力為835MPa,護(hù)套的最大應(yīng)力為514MPa,均未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度極限。而磁輒的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力約為224MPa,如圖2所示,已經(jīng)超過(guò)了磁輒材料的屈服強(qiáng)度極限。

圖2磁輒等效應(yīng)力

2.2機(jī)理分析

根據(jù)有限元仿真結(jié)果可以推斷,轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁輒發(fā)生塑性變形,當(dāng)轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)時(shí),磁輒僅受到護(hù)套向內(nèi)的過(guò)盈裝配應(yīng)力,大小僅有21MPa。該應(yīng)力不足以將磁輒壓回原尺寸,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)軸產(chǎn)生間隙,轉(zhuǎn)子變形為橢圓,經(jīng)過(guò)多次旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),轉(zhuǎn)子外徑尺寸會(huì)逐漸增大,運(yùn)轉(zhuǎn)氣隙逐漸減小,接近極限氣隙,最后在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的高點(diǎn)與發(fā)電機(jī)定子掃膛,發(fā)生故障。

2.3故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

選取與故障轉(zhuǎn)子同一批次的轉(zhuǎn)子與定子裝配進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn),其定子、轉(zhuǎn)子的技術(shù)狀態(tài)與故障轉(zhuǎn)子的技術(shù)狀態(tài)一致。首先在26000r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)行15min,發(fā)電機(jī)無(wú)異常。隨后增加轉(zhuǎn)速,每5s轉(zhuǎn)速上升1000r/min,在31000r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)行5s,當(dāng)轉(zhuǎn)速由31000r/min上升到32000r/min時(shí),發(fā)生故障。拆開(kāi)工裝檢查,發(fā)現(xiàn)定子、轉(zhuǎn)子發(fā)生了掃膛現(xiàn)象,如圖3所示。從發(fā)生掃膛到試驗(yàn)停止時(shí)間在1s之內(nèi),從掃膛后護(hù)套的狀態(tài)可以看出,護(hù)套已經(jīng)磨破,若再繼續(xù)掃膛護(hù)套將會(huì)很快被磨掉,磁鋼破碎,該次掃膛現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)了故障的初始階段,且與仿真分析結(jié)果基本一致。

圖3故障復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)子狀態(tài)

3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

通過(guò)對(duì)故障發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行仿真分析,對(duì)轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)和選材中存在的問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn),具體改進(jìn)方案如下:

(1)過(guò)盈量由0.01~0.02mm增至0.05~0.06mm:

(2)將轉(zhuǎn)子磁輒材料由原來(lái)的DT4改為屈服強(qiáng)度達(dá)800MPa的40CrNiMoA:

(3)為保證護(hù)套強(qiáng)度的安全裕量,將護(hù)套厚度由1.25mm變?yōu)?.75mm。

對(duì)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真,在轉(zhuǎn)速為33000r/min時(shí),護(hù)套及磁輒所受應(yīng)力如圖4所示。

圖4磁輒所受應(yīng)力

從圖4分析結(jié)果可以看出,轉(zhuǎn)子磁輒的應(yīng)力約為267MPa,遠(yuǎn)小于40CrNiMoA材料的屈服強(qiáng)度835MPa,所以磁輒不會(huì)發(fā)生塑性變形。

對(duì)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子再次進(jìn)行負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程順利,故障消除,說(shuō)明改進(jìn)措施合理有效。

4結(jié)論

本文利用仿真模型,對(duì)轉(zhuǎn)子故障原因進(jìn)行了分析,并提出了有針對(duì)性的改進(jìn)措施,該方法對(duì)高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。通過(guò)此次故障分析,可以得到以下結(jié)論:

（1）對(duì)于高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子必須考慮溫差對(duì)過(guò)盈量的影響,通過(guò)設(shè)計(jì)合理的過(guò)盈量,保證發(fā)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)護(hù)套與磁鋼不會(huì)出現(xiàn)間隙:

（2）對(duì)于高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),不僅要考慮護(hù)套強(qiáng)度,還需對(duì)磁輒、擋圈及磁鋼強(qiáng)度逐一進(jìn)行校核。