引言

發(fā)動機內(nèi)置式轉(zhuǎn)子在高速運轉(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)強度不足而導致電機掃膛或破裂,損傷發(fā)動機的情況。本文以某臺交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障為例,對影響轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的因素進行了分析和研究。該轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速為33000r/min時發(fā)生故障。本文采用有限元法對33000r/min轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子強度進行了分析,并提出了改進措施。

1故障現(xiàn)象

該故障轉(zhuǎn)子軸(磁輒)采用導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)子組件外圓與護套內(nèi)圓配合加工,保證過盈量在0.01~0.02mm,然后熱壓護套;最后在護套與擋板、擋板與磁輒之間激光焊接形成一個整體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子各部分材料參數(shù)如表1所示。

發(fā)動機在32000r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作1min后,轉(zhuǎn)速信號電壓在轉(zhuǎn)速上升階段下降0.3V左右,然后再大幅下降直至信號消失。拆開發(fā)動機后,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉(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)子實際工作環(huán)境溫度,對轉(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力為11MPa,擋圈的最大應力為835MPa,護套的最大應力為514MPa,均未超過材料的屈服強度極限。而磁輒的旋轉(zhuǎn)應力約為224MPa,如圖2所示,已經(jīng)超過了磁輒材料的屈服強度極限。

圖2磁輒等效應力

2.2機理分析

根據(jù)有限元仿真結(jié)果可以推斷,轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時磁輒發(fā)生塑性變形,當轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)時,磁輒僅受到護套向內(nèi)的過盈裝配應力,大小僅有21MPa。該應力不足以將磁輒壓回原尺寸,導致轉(zhuǎn)子與發(fā)動機軸產(chǎn)生間隙,轉(zhuǎn)子變形為橢圓,經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)試驗,轉(zhuǎn)子外徑尺寸會逐漸增大,運轉(zhuǎn)氣隙逐漸減小,接近極限氣隙,最后在高速運轉(zhuǎn)時最終導致轉(zhuǎn)子的高點與發(fā)電機定子掃膛,發(fā)生故障。

2.3故障復現(xiàn)試驗

選取與故障轉(zhuǎn)子同一批次的轉(zhuǎn)子與定子裝配進行負載試驗,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)速下運行15min,發(fā)電機無異常。隨后增加轉(zhuǎn)速,每5s轉(zhuǎn)速上升1000r/min,在31000r/min轉(zhuǎn)速下運行5s,當轉(zhuǎn)速由31000r/min上升到32000r/min時,發(fā)生故障。拆開工裝檢查,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)生掃膛到試驗停止時間在1s之內(nèi),從掃膛后護套的狀態(tài)可以看出,護套已經(jīng)磨破,若再繼續(xù)掃膛護套將會很快被磨掉,磁鋼破碎,該次掃膛現(xiàn)象復現(xiàn)了故障的初始階段,且與仿真分析結(jié)果基本一致。

圖3故障復現(xiàn)轉(zhuǎn)子狀態(tài)

3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進及結(jié)構(gòu)強度分析

通過對故障發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行仿真分析,對轉(zhuǎn)子在設(shè)計和選材中存在的問題進行了相應改進,具體改進方案如下:

(1)過盈量由0.01~0.02mm增至0.05~0.06mm:

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

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

對改進后的轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)力學仿真,在轉(zhuǎn)速為33000r/min時,護套及磁輒所受應力如圖4所示。

圖4磁輒所受應力

從圖4分析結(jié)果可以看出,轉(zhuǎn)子磁輒的應力約為267MPa,遠小于40CrNiMoA材料的屈服強度835MPa,所以磁輒不會發(fā)生塑性變形。

對改進后的轉(zhuǎn)子再次進行負載運行試驗,試驗過程順利,故障消除,說明改進措施合理有效。

4結(jié)論

本文利用仿真模型,對轉(zhuǎn)子故障原因進行了分析,并提出了有針對性的改進措施,該方法對高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。通過此次故障分析,可以得到以下結(jié)論:

（1）對于高速永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子必須考慮溫差對過盈量的影響,通過設(shè)計合理的過盈量,保證發(fā)電機在高速運轉(zhuǎn)時護套與磁鋼不會出現(xiàn)間隙:

（2）對于高速永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度設(shè)計來說,不僅要考慮護套強度,還需對磁輒、擋圈及磁鋼強度逐一進行校核。