一種基于振動(dòng)環(huán)境下航空小型交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

航空小型交流發(fā)電機(jī)為一種小功率發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)通過(guò)系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),在定子中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),最終實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)輸出電能。

航空小型交流發(fā)電機(jī)應(yīng)用于各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中,隨著系統(tǒng)需求的不斷擴(kuò)大,系統(tǒng)安全性要求的不斷提高,可靠的小型交流發(fā)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。航空小型交流發(fā)電機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為組裝式和分裝式。本文論述的發(fā)電機(jī)采用組裝式結(jié)構(gòu),體積為45mm(直徑)×m2mm(長(zhǎng)度)。該發(fā)電機(jī)具有體積小、輸出功率大、工作轉(zhuǎn)速范圍較大、輸出電壓范圍較窄等特點(diǎn)。為了保證長(zhǎng)期使用的可靠性,在發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,采用了軸承室增加減振膠圈等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,既減小了發(fā)電機(jī)本身產(chǎn)生的定、轉(zhuǎn)子裝配應(yīng)力,又釋放了系統(tǒng)傳遞到發(fā)電機(jī)上的振動(dòng)等應(yīng)力,保證了發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期使用的可靠性。

1一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)組成

該交流發(fā)電機(jī)為組裝式結(jié)構(gòu),由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、電連接器等組成,前后軸承室分別選用大、小規(guī)格軸承進(jìn)行裝配,如圖1所示。

1.2系統(tǒng)振動(dòng)情況

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過(guò)轉(zhuǎn)軸四方孔與發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸內(nèi)四方孔連接傳動(dòng),定子通過(guò)M5螺釘固定在附件機(jī)匣,工作過(guò)程中受到系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)載荷,使發(fā)電機(jī)工作在較惡劣的振動(dòng)環(huán)境下。通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的振動(dòng)量值,初步獲得發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作中實(shí)際受到的振動(dòng)載荷。

由于發(fā)電機(jī)為懸臂安裝,發(fā)動(dòng)機(jī)的微小振動(dòng)傳遞到發(fā)電機(jī)上都有可能被放大,通過(guò)測(cè)量,由系統(tǒng)傳遞到發(fā)電機(jī)上的振動(dòng)在14~18g,在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化或啟動(dòng)、停車過(guò)程中,發(fā)電機(jī)會(huì)受到振動(dòng)量值25g以上的沖擊。

1.3軸承壽命分析

發(fā)電機(jī)采用深溝球軸承,對(duì)軸承疲勞壽命進(jìn)行修正,其計(jì)算公式如下:

式中,a1為可靠系數(shù):a2為軸承特性系數(shù):a3為使用條件系數(shù):n為轉(zhuǎn)速:ft為溫度系數(shù),電機(jī)實(shí)際工作的環(huán)境溫度為m5~100℃,最高溫度為150℃,其溫度修正系數(shù)按照公式(1)計(jì)算:Cr為基本額定動(dòng)負(fù)荷:fw為負(fù)荷系數(shù),無(wú)沖擊、振動(dòng),取值1,當(dāng)伴有振動(dòng)、沖擊時(shí),取值1.5~3:P為額定動(dòng)負(fù)荷,P=XFr＋yFa,Fr為徑向負(fù)荷,Fa為軸向負(fù)荷,X為徑向負(fù)荷系數(shù),y為軸向負(fù)荷系數(shù)(參考NMB軸承綜合樣本)。

通過(guò)計(jì)算,在一定振動(dòng)、沖擊力作用條件下,后端小軸承壽命減短,其承載能力不足(通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,比擬發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期承受約20g的總振動(dòng)量值,小軸承壽命約2m0h)。

發(fā)電機(jī)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),其工作時(shí)間長(zhǎng),伴有振動(dòng)、高低溫等惡劣環(huán)境,通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)際環(huán)境的工作模擬,圖1中的發(fā)電機(jī)在工作約300h后后端小軸承出現(xiàn)失效散架問(wèn)題,進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子掃膛,轉(zhuǎn)軸斷裂,發(fā)電機(jī)失去工作能力,引起系統(tǒng)故障。

2優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)以上驗(yàn)證、分析,由于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為懸臂安裝,且轉(zhuǎn)子為剛性連接,由系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)的振動(dòng)載荷不僅不能充分釋放,而且在發(fā)電機(jī)后端有放大的情況,加上后端小軸承承載能力不足,發(fā)電機(jī)易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯等影響系統(tǒng)使用的風(fēng)險(xiǎn)。為此應(yīng)強(qiáng)化發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),強(qiáng)化發(fā)電機(jī)抗振能力。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,根據(jù)空間結(jié)構(gòu)將小軸承改為與前端同規(guī)格的大軸承,同時(shí)為強(qiáng)化抗振能力,在軸承室增加減振膠圈,其改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1軸承參數(shù)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)后端軸承改用與前端同規(guī)格的軸承,按照公式(1),在環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)速等條件一定的情況下,隨著振動(dòng)環(huán)境的變化(即fw變化),軸承的使用壽命也隨之變化:隨著振動(dòng)應(yīng)力的增加,軸承壽命減短,振動(dòng)越大,軸承壽命越短。相比圖1中小軸承不同振動(dòng)應(yīng)力下的理論壽命,大軸承壽命相應(yīng)增大60倍以上。

2.2.2軸承室參數(shù)設(shè)計(jì)

為減小外在應(yīng)力等對(duì)發(fā)電機(jī)的影響,提高發(fā)電機(jī)可靠性,根據(jù)橡膠減振原理,按照?qǐng)D2對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。在加大軸承室尺寸后,對(duì)襯套與端蓋毛坯配合的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度校核:襯套凸臺(tái)的厚度與原后端蓋結(jié)構(gòu)相同,且已經(jīng)過(guò)前期強(qiáng)度和壽命考核,故主要考慮襯套軸承室軸向強(qiáng)度,通過(guò)計(jì)算,其強(qiáng)度完全滿足要求。

2.2.3減振膠圈參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)橡膠圈槽時(shí),需保證在裝配完成后橡膠圈的壓縮量控制在10%~20%,壓縮量過(guò)小,橡膠圈起不到減振作用,壓縮量過(guò)大,則在裝配時(shí)容易損傷橡膠圈,且過(guò)大壓縮量可能使橡膠圈壓縮失效。因此根據(jù)選用的軸承規(guī)格,將橡膠圈槽尺寸設(shè)計(jì)為小25.2EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(x2.+EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0.1,選擇規(guī)格為4G00+021.2×1.8的氟橡膠圈。通過(guò)計(jì)算,為了保證在發(fā)電機(jī)剛性轉(zhuǎn)軸由于振動(dòng)等出現(xiàn)偏移而具有"撓性"性質(zhì),將軸承室內(nèi)徑與軸承外圈保持約0.1BB間隙,這樣就可通過(guò)橡膠圈的減振緩沖作用,減弱外界傳遞的振動(dòng)和沖擊。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1電機(jī)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮到發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作中伴隨高溫、振動(dòng)等因素影響,在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí),對(duì)發(fā)電機(jī)施加高溫、振動(dòng)載荷:高溫95m100~,施加1+C18g的振動(dòng)環(huán)境,電機(jī)滿負(fù)荷工作,由于減振膠圈的作用,傳遞到發(fā)電機(jī)上的振動(dòng)最大僅為5g。

發(fā)電機(jī)完成1500h壽命試驗(yàn)后,功能、性能滿足指標(biāo)要求,軸承運(yùn)轉(zhuǎn)靈活,轉(zhuǎn)軸磨損輕微。

3.2電機(jī)隨系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)改進(jìn)的樣機(jī)系統(tǒng),隨系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)振動(dòng)量值在+~9g,振動(dòng)明顯減弱。1000h系統(tǒng)試驗(yàn)后,發(fā)電機(jī)完好無(wú)損傷,轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)靈活,軸承無(wú)異響。

以上試驗(yàn)驗(yàn)證說(shuō)明,加大后端軸承,軸承室加減振橡膠圈的結(jié)構(gòu)改進(jìn),可有效提高發(fā)電機(jī)的承載及抗振能力。

4設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過(guò)上述該小型交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證,針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)工況下,后續(xù)對(duì)于航空用小型交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面:

(1)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分了解其實(shí)際使用工況,考慮客觀存在的振動(dòng)等載荷,結(jié)構(gòu)上采用釋放應(yīng)力的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì):(2)在加工減振膠圈槽和選用減振膠圈時(shí),需要合理控制減振膠圈的壓縮量,根據(jù)膠圈材料,膠圈的壓縮量盡可能控制在10%~20%:(3)該發(fā)電機(jī)軸承室與軸承采用的是大間隙配合,間隙的確定需要綜合考慮發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)氣隙及氣隙變化對(duì)性能的影響。

5結(jié)語(yǔ)

該小型交流發(fā)電機(jī)通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、細(xì)節(jié)優(yōu)化、細(xì)節(jié)控制后,明顯提高了發(fā)電機(jī)在惡劣環(huán)境條件下使用的可靠性,該成果應(yīng)用在某航空用發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上,取得了良好的效果,對(duì)類似結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有借鑒作用。