一種基于振動環(huán)境下航空小型交流發(fā)電機的結構設計

引言

航空小型交流發(fā)電機為一種小功率發(fā)電機,發(fā)電機通過系統(tǒng)帶動轉子轉動,產(chǎn)生旋轉磁場,在定子中產(chǎn)生電動勢,最終實現(xiàn)向系統(tǒng)輸出電能。

航空小型交流發(fā)電機應用于各種航空發(fā)動機控制系統(tǒng)中,隨著系統(tǒng)需求的不斷擴大,系統(tǒng)安全性要求的不斷提高,可靠的小型交流發(fā)電機的應用越來越廣泛。航空小型交流發(fā)電機按結構形式可分為組裝式和分裝式。本文論述的發(fā)電機采用組裝式結構,體積為45mm(直徑)×m2mm(長度)。該發(fā)電機具有體積小、輸出功率大、工作轉速范圍較大、輸出電壓范圍較窄等特點。為了保證長期使用的可靠性,在發(fā)電機的結構設計上,采用了軸承室增加減振膠圈等結構優(yōu)化設計方法,既減小了發(fā)電機本身產(chǎn)生的定、轉子裝配應力,又釋放了系統(tǒng)傳遞到發(fā)電機上的振動等應力,保證了發(fā)電機長期使用的可靠性。

1一般結構設計

1.1結構組成

該交流發(fā)電機為組裝式結構,由定子、轉子、端蓋、軸承、電連接器等組成,前后軸承室分別選用大、小規(guī)格軸承進行裝配,如圖1所示。

1.2系統(tǒng)振動情況

發(fā)電機轉軸通過轉軸四方孔與發(fā)動機附件機匣傳動軸內(nèi)四方孔連接傳動,定子通過M5螺釘固定在附件機匣,工作過程中受到系統(tǒng)傳遞過來的振動載荷,使發(fā)電機工作在較惡劣的振動環(huán)境下。通過測量發(fā)電機安裝在發(fā)動機上的振動量值,初步獲得發(fā)電機系統(tǒng)工作中實際受到的振動載荷。

由于發(fā)電機為懸臂安裝,發(fā)動機的微小振動傳遞到發(fā)電機上都有可能被放大,通過測量,由系統(tǒng)傳遞到發(fā)電機上的振動在14~18g,在發(fā)動機轉速變化或啟動、停車過程中,發(fā)電機會受到振動量值25g以上的沖擊。

1.3軸承壽命分析

發(fā)電機采用深溝球軸承,對軸承疲勞壽命進行修正,其計算公式如下:

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為轉速:ft為溫度系數(shù),電機實際工作的環(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)計算:Cr為基本額定動負荷:fw為負荷系數(shù),無沖擊、振動,取值1,當伴有振動、沖擊時,取值1.5~3:P為額定動負荷,P=XFr＋yFa,Fr為徑向負荷,Fa為軸向負荷,X為徑向負荷系數(shù),y為軸向負荷系數(shù)(參考NMB軸承綜合樣本)。

通過計算,在一定振動、沖擊力作用條件下,后端小軸承壽命減短,其承載能力不足(通過試驗驗證,比擬發(fā)電機長期承受約20g的總振動量值,小軸承壽命約2m0h)。

發(fā)電機用于航空發(fā)動機系統(tǒng),其工作時間長,伴有振動、高低溫等惡劣環(huán)境,通過對發(fā)電機系統(tǒng)實際環(huán)境的工作模擬,圖1中的發(fā)電機在工作約300h后后端小軸承出現(xiàn)失效散架問題,進而導致轉子掃膛,轉軸斷裂,發(fā)電機失去工作能力,引起系統(tǒng)故障。

2優(yōu)化結構設計

2.1結構組成

根據(jù)以上驗證、分析,由于發(fā)電機系統(tǒng)為懸臂安裝,且轉子為剛性連接,由系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機的振動載荷不僅不能充分釋放,而且在發(fā)電機后端有放大的情況,加上后端小軸承承載能力不足,發(fā)電機易出現(xiàn)轉子卡滯等影響系統(tǒng)使用的風險。為此應強化發(fā)電機的結構設計,強化發(fā)電機抗振能力。在優(yōu)化設計中,根據(jù)空間結構將小軸承改為與前端同規(guī)格的大軸承,同時為強化抗振能力,在軸承室增加減振膠圈,其改進后的結構如圖2所示。

2.2參數(shù)設計

2.2.1軸承參數(shù)設計

發(fā)電機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、轉速等條件一定的情況下,隨著振動環(huán)境的變化(即fw變化),軸承的使用壽命也隨之變化:隨著振動應力的增加,軸承壽命減短,振動越大,軸承壽命越短。相比圖1中小軸承不同振動應力下的理論壽命,大軸承壽命相應增大60倍以上。

2.2.2軸承室參數(shù)設計

為減小外在應力等對發(fā)電機的影響,提高發(fā)電機可靠性,根據(jù)橡膠減振原理,按照圖2對發(fā)電機進行結構改進。在加大軸承室尺寸后,對襯套與端蓋毛坯配合的薄弱環(huán)節(jié)進行強度校核:襯套凸臺的厚度與原后端蓋結構相同,且已經(jīng)過前期強度和壽命考核,故主要考慮襯套軸承室軸向強度,通過計算,其強度完全滿足要求。

2.2.3減振膠圈參數(shù)設計

在設計橡膠圈槽時,需保證在裝配完成后橡膠圈的壓縮量控制在10%~20%,壓縮量過小,橡膠圈起不到減振作用,壓縮量過大,則在裝配時容易損傷橡膠圈,且過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,將橡膠圈槽尺寸設計為小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。通過計算,為了保證在發(fā)電機剛性轉軸由于振動等出現(xiàn)偏移而具有"撓性"性質,將軸承室內(nèi)徑與軸承外圈保持約0.1BB間隙,這樣就可通過橡膠圈的減振緩沖作用,減弱外界傳遞的振動和沖擊。

3試驗驗證

3.1電機壽命試驗驗證

考慮到發(fā)電機在實際工作中伴隨高溫、振動等因素影響,在進行壽命試驗時,對發(fā)電機施加高溫、振動載荷:高溫95m100~,施加1+C18g的振動環(huán)境,電機滿負荷工作,由于減振膠圈的作用,傳遞到發(fā)電機上的振動最大僅為5g。

發(fā)電機完成1500h壽命試驗后,功能、性能滿足指標要求,軸承運轉靈活,轉軸磨損輕微。

3.2電機隨系統(tǒng)試驗驗證

結構改進的樣機系統(tǒng),隨系統(tǒng)進行試驗,試驗中發(fā)電機振動量值在+~9g,振動明顯減弱。1000h系統(tǒng)試驗后,發(fā)電機完好無損傷,轉子運轉靈活,軸承無異響。

以上試驗驗證說明,加大后端軸承,軸承室加減振橡膠圈的結構改進,可有效提高發(fā)電機的承載及抗振能力。

4設計要點

通過上述該小型交流發(fā)電機的結構改進與試驗驗證,針對航空發(fā)動機振動工況下,后續(xù)對于航空用小型交流發(fā)電機的結構設計,應重點關注以下方面:

(1)電機進行結構設計時,應充分了解其實際使用工況,考慮客觀存在的振動等載荷,結構上采用釋放應力的設計思路進行設計:(2)在加工減振膠圈槽和選用減振膠圈時,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)電機的設計氣隙及氣隙變化對性能的影響。

5結語

該小型交流發(fā)電機通過結構改進、細節(jié)優(yōu)化、細節(jié)控制后,明顯提高了發(fā)電機在惡劣環(huán)境條件下使用的可靠性,該成果應用在某航空用發(fā)動機系統(tǒng)上,取得了良好的效果,對類似結構發(fā)電機的結構設計具有借鑒作用。