温度应力对引信用涡轮发电机的影响

刘加凯,齐杏林,范志锋,任亮亮,2

(1.军械工程学院弹药工程系,河北石家庄 050003;2.66352部队,北京 101508)

0 引言

引信用涡轮发电机(以下简称为电机)是一种利用弹道空气压力作驱动力,广泛用于迫击炮弹等弹药电引信的物理电源[1-2]。在利用物理电源发电的电引信中,由于电机故障而引起的引信失效占总数的26%,仅次于电子组件[3],因此有必要找出其薄弱环节并加以改进,提高引信的可靠性。

在引信寿命周期内,温度是影响其可靠性的最主要的一类环境应力,但目前尚查不到温度对电机可靠性影响研究的相关资料。本文通过对电机实施高温步进强化试验,研究温度应力对电机的影响,并确定电机的薄弱环节。

1 高温步进强化试验

高温步进强化试验是以步进的方式对产品施加远高于其规范的温度应力,快速激发产品的潜在缺陷使其以故障的形式表现出来,以便确定电机薄弱环节,并采取改进措施以提高其可靠性的一种试验方法。它能够较大地缩短试验周期,提高试验效率。

选用编号为1#、2#、3#、4#的4个电机,进行高温步进试验,起始温度为50℃,步长为10℃,每步保温25 min,温度升至100℃后,步长改为5℃,直至找到电机高温工作极限和破坏极限(高温工作极限为使产品出现可恢复故障的高温应力极限值;高温破坏极限是指使产品出现破坏性故障的高温应力极限值)。每步保温完毕,立即在70 m/s的吹风条件下检测其性能,当电机输出稳定后,记录其输出电压与频率。当输出电压低于12 V或频率低于1 k Hz时,将电机恢复至25℃后重新测试,若电机输出满足要求,则继续试验,若仍不满足要求,则停止该电机继续试验。

2 试验结果及分析

2.1 输出电压

在试验过程中,随着温度的升高,电机的输出电压逐渐减小。在145～155℃温度范围内,1#、2#、3#、4#电机相继出现可恢复性故障,即在高温保持阶段,其输出电压低于12 V的规定值,而恢复常温后其输出又能满足要求;温度继续升高,在160～170℃温度范围内,电机相继出现破坏性故障,即使恢复常温其输出电压仍不能满足要求。1#-4#电机在不同温度条件下的输出电压值如表1所列。当各电机在高温条件下输出电压低于12 V时,将电机恢复至25℃后重新测试,其测试值如表2所列。

表1 1#-4#电机在不同温度条件下的输出电压值Tab.1 The value of voltage outputting by 1#-4#turbine alternator in different temperature stress V

表2 1#-4#电机从高温恢复至25℃时的输出电压值Tab.2 The value of voltage outputting by 1#-4#turbine alternator after reducing to 25℃from high temperature V

运用回归分析对电机在不同温度条件下的输出电压(表1中的数据)进行处理。根据残差最小原则,利用二次多项式进行拟合,具有较好的拟合性,其拟合曲线如图1所示。由此可知,电机的输出电压随温度升高呈抛物线规律递减。

图1 1#-4#电机温度-电压曲线Fig.1 Temperature-voltage curve of 1#-4#alternator

经计算处理,1#-4#电机输出电压与温度关系的回归方程分别为:

由式(1)-式(4)及图1可知,温度T的二次项系数非常小,电机的输出电压与温度基本呈线性关系。

令 V1、V 2、V3 、V4 均等于 12 V,得出各方程与12 V相交的温度值,即各电机的高温工作极限,如表3所列。

表3 各电机的高温工作极限Tab.3 High temperature operational limit of each alternator ℃

利用式(5)、式(6)计算各电机高温工作极限的样本均值与标准差。

利用数理统计的方法得到电机的高温工作极限为:¯T±3σ=(145.7±9.8)℃。

将表2中的数据以坐标形式描在图上,由于数据量偏少且呈直线关系,运用一次线性的方法进行拟合,如图2所示。

图2 1#-4#电机由高温恢复至25℃的温度-电压曲线Fig.2 Temperature-voltage curve of 1#-4#alternator after reducing to 25℃from high temperature

根据图2,求得各电机曲线与12 V水平线相交的温度值,即各电机的高温破坏极限,如表4所列。

表4 各电机的高温破坏极限Tab.4 High temperature destruct limit of each alternator ℃

利用式(5)、式(6)计算得出电机的高温破坏极限为:(162.9±16.5)℃。

根据计算可知,电机的高温工作极限和破坏极限之间存在交叠部分,这是因为对于电机而言,各样本的工作极限和破坏极限存在一定的差别,但总体上基本服从正态分布。

2.2 输出频率

随着温度的升高,电机的输出频率也逐渐降低,但在规定范围之内。

2.3 其他性能

在试验过程中,电机的外壳以及涡轮逐渐变黄老化,尤其是涡轮叶片末端,由于厚度较薄,老化最为严重,用手拨动叶片,叶片变硬发脆,韧性变差,且在160～170℃温度范围内,1#、2#、4#电机的涡轮叶片尾部在70 m/s的吹风条件下相继折断,如图3圆圈中所示。

图3 涡轮叶片尾部折断Fig.3 Tail broken of turbine lamina

3 故障原因分析

在高温步进强化试验中,电机故障可分为可恢复性故障和破坏性故障两类,下面分别对其原因进行分析。

3.1 可恢复性故障分析

在试验过程中,随着温度的升高,电机的输出电压和频率逐渐降低,当电机恢复常温后,其输出电压和频率又有回升。现从理论角度对其原因进行分析。

1)线圈感应电动势与温度的关系

根据铁磁学理论,永磁体的磁感应强度B r随温度的升高而降低。

设E为线圈绕组在磁场的相对运动中产生的感应电动势,根据电机理论[4],有

式中,E(t)为在工作温度t下线圈绕组中所产生的电动势;B r(t0)为室温时的剩余磁感应强度;t为工作温度;α为温度系数(负数);n为转子转速;C为电动势常数;K为一个无量纲系数;A为永磁体提供每极磁通的截面积。对于指定的电机,C、K、A均为常数。

由式(7)可知,在转子转速n不变的情况下,随着温度的升高,线圈产生的感应电动势逐渐降低。

2)线圈电阻与温度之间的关系

电机中的线圈由高强度聚酯漆包圆铜线制成,在通常温度范围内,电阻与温度成线性关系

式中,R(t)为线圈绕组在温度t时的电阻;β为电阻温度系数。

当电机的负载电阻为R1,线圈绕组所产生的电动势为E(t)时,负载两端的电压

根据式(7)、式(8)、式(9)可知,

根据式(10)可知,在转子转速n一定的条件下,随着温度的升高,电机所产生的感应电动势降低,线圈绕组电阻升高,从而使输出电压(负载电压)降低。

算例:从手册中查出电机磁钢材料NdFeB(钕铁硼)的温度系数α=-1 200 ppm/℃,铜线的电阻温度系数β=4 300 ppm/℃。经测量,电机在常温25℃时的线圈内阻R0=102.4Ω,负载为1 000Ω。设环境温度为25℃时,电机所产生的电动势E25=17 V,负载两端电压

当环境温度为155℃时,负载两端的电压为

从以上算例中可以看出,在高温步进试验中,当频率(转速)不变时,引起电机输出电压降低的主要原因在于转子中磁性材料的磁性能和线圈电阻随温度升高而变化。

3)引起输出电压及频率降低的其他因素

涡轮叶片所采用根切结构具有随转速提高在离心力作用下变形自适应减速的功能。随着试验的进行,由于涡轮材料的刚度下降,较低的转速即可引起叶片发生变形,使电机的转速(频率)降低,从而使电机的输出电压降低。此外在试验过程中,由于电机轴承中润滑油泄漏、挥发、老化等,使其润滑性能下降,导致电机的摩擦阻力增大,也将使涡轮转速(频率)降低,电压降低。

由于磁感应强度和线圈电阻具有可逆性,所以当电机恢复常温后,其输出电压又可回升。但在试验过程中,由于叶片的塑性变形、轴承润滑性能下降、磁性材料磁性能的不可逆性退化等因素的存在,即使恢复常温,电机的输出电压仍不能恢复至初始状态。

3.2 破坏性故障分析

在试验过程中,当温度达到160～170℃时,涡轮叶片尾部在70 m/s吹风条件下折断,电机的输出电压在常温条件下仍低于12 V的规定值,不满足要求。现从理论角度对其原因进行分析。

3.2.1 涡轮叶片折断

涡轮叶片在吹风条件下折断,是由塑料老化以及叶片在吹风下疲劳累积等因素引起的。研究表明,塑料的老化速度与温度有关,符合Arrhenius模型,温度越高,老化速度越快[5]。塑料老化引起涡轮叶片的冲击强度和弯曲强度等下降,而反复对涡轮吹风,则引起疲劳累积,使叶片的疲劳强度下降[6]。冲击强度、弯曲强度、疲劳强度等不断下降,最终导致叶片在吹风条件下折断。

3.2.2 叶片折断对电机输出的影响

1)叶片折断对涡轮力矩的影响

查GJB/Z135-2002《引信工程设计手册》,涡轮在运行中产生的力矩为:

式(11)中,Mω为涡轮在运行中产生的力矩;n为叶片数量;rc为涡轮叶片计算半径;ρ为气体密度;v为风速;σ为单位叶片的入流口处的截面积;r1为涡轮外径;ψ为气体损耗系数;a1为涡轮的形状系数;r2为涡轮内径;ω为涡轮的角速度;β为涡轮的出流角。

由式(11)可知,涡轮在运行中所产生的力矩取决于作用于叶片的气流流量和出流角β的大小,涡轮叶片如图4所示[7]。作用于叶片的气流流量越小,出流角β越大,则涡轮产生的力矩越小。涡轮叶片尾部折断,一方面使作用于叶片的气流流量减少,另一方面使该折断叶片的出流角β增大,因而导致涡轮产生的力矩减小。

图4 涡轮叶片示意图Fig.4 Sketch map of turbine lamina

2)涡轮力矩对电机输出的影响

作用于涡轮转子上的各项力矩如图5所示。电机的运动方程为[8]:

式中,Mω为气流作用于叶轮的力矩;Me电磁负载力矩;Mf为摩擦阻力力矩;J为电机转子(含涡轮)的转动惯量。

图5 作用在转子上的力矩Fig.5 M oment on rotor

对于给定的电机,转子在磁场中所受到电磁转矩与线圈绕组中的电流成正比,即

当风速小于400 m/s时,电机涡轮的限速作用还未体现出来,此时电机的输出频率F与输出电压V基本呈线性关系

由式(18)可知,当摩擦阻力力矩 M f一定时,电机的转速与涡轮力矩Mω成正比。由于电机的输出电压和频率与转速成正比,因而也与涡轮力矩成正比。故当涡轮叶片折断时,涡轮产生的力矩减小,从而使电机的输出电压和频率均减小。

3.2.3 轴承润滑性能下降对电机输出的影响

电机轴承中的润滑油为低粘度仪表油,在高温条件下,润滑油中轻质成分蒸发损失增大,油脂泄漏、挥发,老化过程加剧,粘度增大,使其润滑性能下降,摩擦阻力力矩增大[9]。另外润滑油在高温作用下,会在与其相接触的零件上发生氧化和分解,并产生沉淀物沉积在其表面,污染润滑系统,也会使轴承的摩擦阻力力矩增大。根据式(18),摩擦阻力力矩Mf增大,将使涡轮转速降低,导致电机输出电压和频率均降低。

通过对引起电机破坏性故障的原因进行分析可知,电机的薄弱环节主要在于涡轮叶片折断和轴承的润滑性能,对这两方面进行改进,可有效提高电机的可靠性。

由式(13)-式(17)可知

4 结论

本文通过对引信用涡轮发电机实施高温步进强化试验,并对4个电机样本统计分析找到了电机的高温工作极限和破坏极限分别为(145.7±9.8)℃和(162.9±16.5)℃,发现了电机在温度影响条件下出现的主要故障为输出电压随温度的升高呈抛物线规律下降且输出电压不满足要求以及涡轮叶片在70 m/s吹风条件下尾部折断。分析了引起电机可恢复性故障的主要原因为转子中磁性材料的磁性能和线圈电阻随温度变化而变化,破坏性故障的主要原因为涡轮叶片折断和轴承的润滑性能下降,印证了试验中所发现的现象及规律。

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