一种基于振动环境下航空小型交流发电机的结构设计

引言

航空小型交流发电机为一种小功率发电机,发电机通过系统带动转子转动,产生旋转磁场,在定子中产生电动势,最终实现向系统输出电能。

航空小型交流发电机应用于各种航空发动机控制系统中,随着系统需求的不断扩大,系统安全性要求的不断提高,可靠的小型交流发电机的应用越来越广泛。航空小型交流发电机按结构形式可分为组装式和分装式。本文论述的发电机采用组装式结构,体积为45mm(直径)×m2mm(长度)。该发电机具有体积小、输出功率大、工作转速范围较大、输出电压范围较窄等特点。为了保证长期使用的可靠性,在发电机的结构设计上,采用了轴承室增加减振胶圈等结构优化设计方法,既减小了发电机本身产生的定、转子装配应力,又释放了系统传递到发电机上的振动等应力,保证了发电机长期使用的可靠性。

1一般结构设计

1.1结构组成

该交流发电机为组装式结构,由定子、转子、端盖、轴承、电连接器等组成,前后轴承室分别选用大、小规格轴承进行装配,如图1所示。

1.2系统振动情况

发电机转轴通过转轴四方孔与发动机附件机匣传动轴内四方孔连接传动,定子通过M5螺钉固定在附件机匣,工作过程中受到系统传递过来的振动载荷,使发电机工作在较恶劣的振动环境下。通过测量发电机安装在发动机上的振动量值,初步获得发电机系统工作中实际受到的振动载荷。

由于发电机为悬臂安装,发动机的微小振动传递到发电机上都有可能被放大,通过测量,由系统传递到发电机上的振动在14~18g,在发动机转速变化或启动、停车过程中,发电机会受到振动量值25g以上的冲击。

1.3轴承寿命分析

发电机采用深沟球轴承,对轴承疲劳寿命进行修正,其计算公式如下:

式中,a1为可靠系数:a2为轴承特性系数:a3为使用条件系数:n为转速:ft为温度系数,电机实际工作的环境温度为m5~100℃,最高温度为150℃,其温度修正系数按照公式(1)计算:Cr为基本额定动负荷:fw为负荷系数,无冲击、振动,取值1,当伴有振动、冲击时,取值1.5~3:P为额定动负荷,P=XFr＋yFa,Fr为径向负荷,Fa为轴向负荷,X为径向负荷系数,y为轴向负荷系数(参考NMB轴承综合样本)。

通过计算,在一定振动、冲击力作用条件下,后端小轴承寿命减短,其承载能力不足(通过试验验证,比拟发电机长期承受约20g的总振动量值,小轴承寿命约2m0h)。

发电机用于航空发动机系统,其工作时间长,伴有振动、高低温等恶劣环境,通过对发电机系统实际环境的工作模拟,图1中的发电机在工作约300h后后端小轴承出现失效散架问题,进而导致转子扫膛,转轴断裂,发电机失去工作能力,引起系统故障。

2优化结构设计

2.1结构组成

根据以上验证、分析,由于发电机系统为悬臂安装,且转子为刚性连接,由系统传递给发电机的振动载荷不仅不能充分释放,而且在发电机后端有放大的情况,加上后端小轴承承载能力不足,发电机易出现转子卡滞等影响系统使用的风险。为此应强化发电机的结构设计,强化发电机抗振能力。在优化设计中,根据空间结构将小轴承改为与前端同规格的大轴承,同时为强化抗振能力,在轴承室增加减振胶圈,其改进后的结构如图2所示。

2.2参数设计

2.2.1轴承参数设计

发电机后端轴承改用与前端同规格的轴承,按照公式(1),在环境温度、转速等条件一定的情况下,随着振动环境的变化(即fw变化),轴承的使用寿命也随之变化:随着振动应力的增加,轴承寿命减短,振动越大,轴承寿命越短。相比图1中小轴承不同振动应力下的理论寿命,大轴承寿命相应增大60倍以上。

2.2.2轴承室参数设计

为减小外在应力等对发电机的影响,提高发电机可靠性,根据橡胶减振原理,按照图2对发电机进行结构改进。在加大轴承室尺寸后,对衬套与端盖毛坯配合的薄弱环节进行强度校核:衬套凸台的厚度与原后端盖结构相同,且已经过前期强度和寿命考核,故主要考虑衬套轴承室轴向强度,通过计算,其强度完全满足要求。

2.2.3减振胶圈参数设计

在设计橡胶圈槽时,需保证在装配完成后橡胶圈的压缩量控制在10%~20%,压缩量过小,橡胶圈起不到减振作用,压缩量过大,则在装配时容易损伤橡胶圈,且过大压缩量可能使橡胶圈压缩失效。因此根据选用的轴承规格,将橡胶圈槽尺寸设计为小25.2EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(x2.+EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0.1,选择规格为4G00+021.2×1.8的氟橡胶圈。通过计算,为了保证在发电机刚性转轴由于振动等出现偏移而具有"挠性"性质,将轴承室内径与轴承外圈保持约0.1BB间隙,这样就可通过橡胶圈的减振缓冲作用,减弱外界传递的振动和冲击。

3试验验证

3.1电机寿命试验验证

考虑到发电机在实际工作中伴随高温、振动等因素影响,在进行寿命试验时,对发电机施加高温、振动载荷:高温95m100~,施加1+C18g的振动环境,电机满负荷工作,由于减振胶圈的作用,传递到发电机上的振动最大仅为5g。

发电机完成1500h寿命试验后,功能、性能满足指标要求,轴承运转灵活,转轴磨损轻微。

3.2电机随系统试验验证

结构改进的样机系统,随系统进行试验,试验中发电机振动量值在+~9g,振动明显减弱。1000h系统试验后,发电机完好无损伤,转子运转灵活,轴承无异响。

以上试验验证说明,加大后端轴承,轴承室加减振橡胶圈的结构改进,可有效提高发电机的承载及抗振能力。

4设计要点

通过上述该小型交流发电机的结构改进与试验验证,针对航空发动机振动工况下,后续对于航空用小型交流发电机的结构设计,应重点关注以下方面:

(1)电机进行结构设计时,应充分了解其实际使用工况,考虑客观存在的振动等载荷,结构上采用释放应力的设计思路进行设计:(2)在加工减振胶圈槽和选用减振胶圈时,需要合理控制减振胶圈的压缩量,根据胶圈材料,胶圈的压缩量尽可能控制在10%~20%:(3)该发电机轴承室与轴承采用的是大间隙配合,间隙的确定需要综合考虑发电机的设计气隙及气隙变化对性能的影响。

5结语

该小型交流发电机通过结构改进、细节优化、细节控制后,明显提高了发电机在恶劣环境条件下使用的可靠性,该成果应用在某航空用发动机系统上,取得了良好的效果,对类似结构发电机的结构设计具有借鉴作用。