某型直升机交流发电机断轴故障分析及改进

李文辉

(海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000)

某型直升机交流发电机断轴故障分析及改进

李文辉

(海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000)

交流发电机是交流电源系统的重要组成部分。针对某型机交流发电机地面联试过程中出现断轴故障现象，通过机理分析查找断轴原因，进而对交流发电机弹性轴进行设计改进和验证。

交流发电机；断轴；故障分析

0 引言

交流发电机是交流电源系统的重要组成部分。某型机交流发电机额定功率30KVA，安装在主减速器附件机匣上，与交流发电机控制器、交流配电盒等组成主交流电源系统，向全机交流负载提供115/200V、400Hz三相交流电。

本文针对某型机交流发电机在地面联试突加、突卸试验项目中出现的5次断轴故障进行研究，对发生断轴的机理进行了详细分析，查找断轴的原因，发现产品完全符合设计图纸及技术指标要求，最终确定为共振引起的故障。对交流发电机弹性轴进行改进设计及试验验证、装机验证。

1 交流发电机结构分析

某型机交流发电机总体结构设计采用典型的三级航空交流发电机结构，具体见图1。交流发电机采用双轴承支撑，自带风扇冷却，采用ISO标准花键传动，卡箍联接。交流发电机主要由主发电机、励磁机、永磁机、三相半波旋转整流装置、风扇及结构件组成。其中，主交流发电机转子组件、励磁机电枢组件和永磁机转子组件安装在同一根空心轴上。交流发电机机壳、端盖及风罩选用高强度铝合金材料。

图1 交流发电机结构示意图

通过5次断轴故障发现，均在交流发电机弹性轴剪切径部位断裂(见图2)，发电机转子转动灵活，无卡滞现象。

图2 弹性轴剪切径断裂部位

2 故障定位

对断裂的弹性轴进行理化分析，分析认为材质和硬度符合设计图纸规定的要求，断裂与材质无关，属于扭转过载断裂。

弹性轴设计时，经过扭转剪切校核，具备抗扭转剪切能力约5倍余量。从试验情况看，在断轴前出现3s以上的振动，说明净扭转力矩超出150Nm造成弹性轴扭转力矩过大导致弹性轴断裂的可能性也是不大的(净扭转造成断裂时间极短，通常在1s以内)。断口形状与弯曲振动断裂形成的断面不一致，未见其他部件损坏(除弹性轴剪切径处)，与弯曲断裂现象不一致，基本可以排除弯曲振动造成弹性轴断裂的可能性。

通过几次断轴试验中对电压、电流和励磁电流的监测数据发现，产品分别在20kVA、30kVA负载条件下运行，工作正常，再按30kVA的20%负载突加至170%负载时，有33Hz的振荡电流，运行3s后(见图3)，弹性轴断裂。

通过以上检查和分析，导致弹性轴断裂的原因初步定位为：弹性轴扭转过载断裂，造成这一现象的原因为传动系统扭转共振。

图3 30kVA的20%负载突加至170%负载时33Hz振荡电流图

3 机理分析与故障复现

针对上述问题定位进行机理分析：

1)由于交流发电机厂内验收试验中未发生弹性轴断裂，而在主机所内地面联试试验中连续发生断裂，此现象反映出两者试验系统存在差别，而该差别主要为拖动系统的差异。进一步分析发现，主机所内试验台驱动系统附加到弹性轴的转动惯量可能会大于产品厂家试验台，因而怀疑附加的转动惯量造成弹性轴的扭转频率异常降低，同时齿轮箱有相近频率的激励成份(35Hz左右)传递过来，从而造成扭转共振，导致弹性轴断裂。

2)通过分析认为主机所驱动系统规格高于厂家试验系统，其齿轮轴可能附加在弹性轴的转动惯量要大于厂家，因而其一阶扭转固频下降更多，至35Hz时，驱动系统中可能存在相近频率的扭转激励，使得此时一阶扭转模态激发，产生扭转共振，造成弹性轴迅速扭转断裂。

为模拟主机所的试验现象，厂家选择同类型试验台进行故障复现。在直流拖动台高速端口进行发电机突加卸负载试验时，拖动台出现异常响声，及时停止试验，拆下发电机弹性轴进行损伤检查，未发现损伤。加装加速度传感器监测发电机振动情况，与在110kW拖动台的试验对比，通过振动扫频监测发现，在110kW拖动台上进行试验时，其低频共峰点为51Hz(图4)，而在K938 500 hp拖动台高速端口进行试验时，其低频共峰点为35Hz(图5)，与在主机所进行试验时产生的33Hz的振荡电流频率比较接近。

图4 试验测得在110kW拖动台无故障运行时

图5 试验测得在500hp K938拖动台35kVA负载

一般情况下共振是有害的，会引起机械和结构很大的变形和动应力，甚至造成破坏性事故。交流发电机断轴就是共振破坏性最好的例子。防止共振有以下措施：改变机械系统的结构或改变激励，使机械系统的固有频率避开激励频率；采用减振装置；机械起动或停车中快速通过共振区。

4 设计改进及验证

根据上述断裂故障机理分析及故障复现，要解决此断裂问题，关键点在于提高传动轴的扭转一阶固有频率，以避开驱动系统中可能存在的近似频率扭转激励，因此从设计角度看，可能的改进措施包括缩短弹性轴长度和增大弹性轴直径两个方面。

结合产品的实际生产和工作情况，改进方向选取增大直径，使弹性轴提高其刚性，从而改变其动态特性，具体改进如图6所示。

图6 弹性轴调整前后变化

直径Φ9mm轴段调整为Φ10.5mm。

剪切径Φ8.1mm调整为Φ8.6mm，其圆弧R2mm调整为R5mm，轴向位置向大花键处靠近14mm。

将剪切径两边的直径Φ10mm调整为Φ12.8mm。

将台阶端面右侧15.5mm长度的直径由Φ10mm调整为Φ16mm。

改进后的弹性轴在地面联试过程中没有再出现断轴故障，鉴定试验及装机验证结果表明，改进后的交流发电机断轴故障得到有效解决。

5 结论

采用本文提出的弹性轴设计改进方法改进后的弹性轴通过了试验验证和装机验证，对后续交流发电机的研制和工程应用具有较大的参考价值。

[1] 刘迪吉.航空电机学[M]. 北京:国防工业出版社,1986.

[2] 某型发电机弹性轴断裂分析报告[Z].国营第一一五厂,2014.

[3] 某型机交流电源系统地面联试试验大纲[Z]. 中航602所，2013.

[4] 某型发电机传动弹性轴断裂故障分析报告[Z]。西安交通大学机械工程学院，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

李文辉(1968-)， 男，江西新建人，本科，高级工程师，主要研究方向：航空机械。

1673-1220(2016)04-051-03

V242.44

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