劉加凱,齊杏林,范志鋒,任亮亮,2

(1.軍械工程學(xué)院彈藥工程系,河北石家莊 050003;2.66352部隊,北京 101508)

0 引言

引信用渦輪發(fā)電機(以下簡稱為電機)是一種利用彈道空氣壓力作驅(qū)動力,廣泛用于迫擊炮彈等彈藥電引信的物理電源[1-2]。在利用物理電源發(fā)電的電引信中,由于電機故障而引起的引信失效占總數(shù)的26%,僅次于電子組件[3],因此有必要找出其薄弱環(huán)節(jié)并加以改進,提高引信的可靠性。

在引信壽命周期內(nèi),溫度是影響其可靠性的最主要的一類環(huán)境應(yīng)力,但目前尚查不到溫度對電機可靠性影響研究的相關(guān)資料。本文通過對電機實施高溫步進強化試驗,研究溫度應(yīng)力對電機的影響,并確定電機的薄弱環(huán)節(jié)。

1 高溫步進強化試驗

高溫步進強化試驗是以步進的方式對產(chǎn)品施加遠高于其規(guī)范的溫度應(yīng)力,快速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷使其以故障的形式表現(xiàn)出來,以便確定電機薄弱環(huán)節(jié),并采取改進措施以提高其可靠性的一種試驗方法。它能夠較大地縮短試驗周期,提高試驗效率。

選用編號為1#、2#、3#、4#的4個電機,進行高溫步進試驗,起始溫度為50℃,步長為10℃,每步保溫25 min,溫度升至100℃后,步長改為5℃,直至找到電機高溫工作極限和破壞極限(高溫工作極限為使產(chǎn)品出現(xiàn)可恢復(fù)故障的高溫應(yīng)力極限值;高溫破壞極限是指使產(chǎn)品出現(xiàn)破壞性故障的高溫應(yīng)力極限值)。每步保溫完畢,立即在70 m/s的吹風(fēng)條件下檢測其性能,當(dāng)電機輸出穩(wěn)定后,記錄其輸出電壓與頻率。當(dāng)輸出電壓低于12 V或頻率低于1 k Hz時,將電機恢復(fù)至25℃后重新測試,若電機輸出滿足要求,則繼續(xù)試驗,若仍不滿足要求,則停止該電機繼續(xù)試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 輸出電壓

在試驗過程中,隨著溫度的升高,電機的輸出電壓逐漸減小。在145～155℃溫度范圍內(nèi),1#、2#、3#、4#電機相繼出現(xiàn)可恢復(fù)性故障,即在高溫保持階段,其輸出電壓低于12 V的規(guī)定值,而恢復(fù)常溫后其輸出又能滿足要求;溫度繼續(xù)升高,在160～170℃溫度范圍內(nèi),電機相繼出現(xiàn)破壞性故障,即使恢復(fù)常溫其輸出電壓仍不能滿足要求。1#-4#電機在不同溫度條件下的輸出電壓值如表1所列。當(dāng)各電機在高溫條件下輸出電壓低于12 V時,將電機恢復(fù)至25℃后重新測試,其測試值如表2所列。

表1 1#-4#電機在不同溫度條件下的輸出電壓值Tab.1 The value of voltage outputting by 1#-4#turbine alternator in different temperature stress V

表2 1#-4#電機從高溫恢復(fù)至25℃時的輸出電壓值Tab.2 The value of voltage outputting by 1#-4#turbine alternator after reducing to 25℃from high temperature V

運用回歸分析對電機在不同溫度條件下的輸出電壓(表1中的數(shù)據(jù))進行處理。根據(jù)殘差最小原則,利用二次多項式進行擬合,具有較好的擬合性,其擬合曲線如圖1所示。由此可知,電機的輸出電壓隨溫度升高呈拋物線規(guī)律遞減。

圖1 1#-4#電機溫度-電壓曲線Fig.1 Temperature-voltage curve of 1#-4#alternator

經(jīng)計算處理,1#-4#電機輸出電壓與溫度關(guān)系的回歸方程分別為:

由式(1)-式(4)及圖1可知,溫度T的二次項系數(shù)非常小,電機的輸出電壓與溫度基本呈線性關(guān)系。

令 V1、V 2、V3 、V4 均等于 12 V,得出各方程與12 V相交的溫度值,即各電機的高溫工作極限,如表3所列。

表3 各電機的高溫工作極限Tab.3 High temperature operational limit of each alternator ℃

利用式(5)、式(6)計算各電機高溫工作極限的樣本均值與標準差。

利用數(shù)理統(tǒng)計的方法得到電機的高溫工作極限為:ˉT±3σ=(145.7±9.8)℃。

將表2中的數(shù)據(jù)以坐標形式描在圖上,由于數(shù)據(jù)量偏少且呈直線關(guān)系,運用一次線性的方法進行擬合,如圖2所示。

圖2 1#-4#電機由高溫恢復(fù)至25℃的溫度-電壓曲線Fig.2 Temperature-voltage curve of 1#-4#alternator after reducing to 25℃from high temperature

根據(jù)圖2,求得各電機曲線與12 V水平線相交的溫度值,即各電機的高溫破壞極限,如表4所列。

表4 各電機的高溫破壞極限Tab.4 High temperature destruct limit of each alternator ℃

利用式(5)、式(6)計算得出電機的高溫破壞極限為:(162.9±16.5)℃。

根據(jù)計算可知,電機的高溫工作極限和破壞極限之間存在交疊部分,這是因為對于電機而言,各樣本的工作極限和破壞極限存在一定的差別,但總體上基本服從正態(tài)分布。

2.2 輸出頻率

隨著溫度的升高,電機的輸出頻率也逐漸降低,但在規(guī)定范圍之內(nèi)。

2.3 其他性能

在試驗過程中,電機的外殼以及渦輪逐漸變黃老化,尤其是渦輪葉片末端,由于厚度較薄,老化最為嚴重,用手撥動葉片,葉片變硬發(fā)脆,韌性變差,且在160～170℃溫度范圍內(nèi),1#、2#、4#電機的渦輪葉片尾部在70 m/s的吹風(fēng)條件下相繼折斷,如圖3圓圈中所示。

圖3 渦輪葉片尾部折斷Fig.3 Tail broken of turbine lamina

3 故障原因分析

在高溫步進強化試驗中,電機故障可分為可恢復(fù)性故障和破壞性故障兩類,下面分別對其原因進行分析。

3.1 可恢復(fù)性故障分析

在試驗過程中,隨著溫度的升高,電機的輸出電壓和頻率逐漸降低,當(dāng)電機恢復(fù)常溫后,其輸出電壓和頻率又有回升?，F(xiàn)從理論角度對其原因進行分析。

1)線圈感應(yīng)電動勢與溫度的關(guān)系

根據(jù)鐵磁學(xué)理論,永磁體的磁感應(yīng)強度B r隨溫度的升高而降低。

設(shè)E為線圈繞組在磁場的相對運動中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,根據(jù)電機理論[4],有

式中,E(t)為在工作溫度t下線圈繞組中所產(chǎn)生的電動勢;B r(t0)為室溫時的剩余磁感應(yīng)強度;t為工作溫度;α為溫度系數(shù)(負數(shù));n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;C為電動勢常數(shù);K為一個無量綱系數(shù);A為永磁體提供每極磁通的截面積。對于指定的電機,C、K、A均為常數(shù)。

由式(7)可知,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不變的情況下,隨著溫度的升高,線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢逐漸降低。

2)線圈電阻與溫度之間的關(guān)系

電機中的線圈由高強度聚酯漆包圓銅線制成,在通常溫度范圍內(nèi),電阻與溫度成線性關(guān)系

式中,R(t)為線圈繞組在溫度t時的電阻;β為電阻溫度系數(shù)。

當(dāng)電機的負載電阻為R1,線圈繞組所產(chǎn)生的電動勢為E(t)時,負載兩端的電壓

根據(jù)式(7)、式(8)、式(9)可知,

根據(jù)式(10)可知,在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n一定的條件下,隨著溫度的升高,電機所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢降低,線圈繞組電阻升高,從而使輸出電壓(負載電壓)降低。

算例:從手冊中查出電機磁鋼材料NdFeB(釹鐵硼)的溫度系數(shù)α=-1 200 ppm/℃,銅線的電阻溫度系數(shù)β=4 300 ppm/℃。經(jīng)測量,電機在常溫25℃時的線圈內(nèi)阻R0=102.4Ω,負載為1 000Ω。設(shè)環(huán)境溫度為25℃時,電機所產(chǎn)生的電動勢E25=17 V,負載兩端電壓

當(dāng)環(huán)境溫度為155℃時,負載兩端的電壓為

從以上算例中可以看出,在高溫步進試驗中,當(dāng)頻率(轉(zhuǎn)速)不變時,引起電機輸出電壓降低的主要原因在于轉(zhuǎn)子中磁性材料的磁性能和線圈電阻隨溫度升高而變化。

3)引起輸出電壓及頻率降低的其他因素

渦輪葉片所采用根切結(jié)構(gòu)具有隨轉(zhuǎn)速提高在離心力作用下變形自適應(yīng)減速的功能。隨著試驗的進行,由于渦輪材料的剛度下降,較低的轉(zhuǎn)速即可引起葉片發(fā)生變形,使電機的轉(zhuǎn)速(頻率)降低,從而使電機的輸出電壓降低。此外在試驗過程中,由于電機軸承中潤滑油泄漏、揮發(fā)、老化等,使其潤滑性能下降,導(dǎo)致電機的摩擦阻力增大,也將使渦輪轉(zhuǎn)速(頻率)降低,電壓降低。

由于磁感應(yīng)強度和線圈電阻具有可逆性,所以當(dāng)電機恢復(fù)常溫后,其輸出電壓又可回升。但在試驗過程中,由于葉片的塑性變形、軸承潤滑性能下降、磁性材料磁性能的不可逆性退化等因素的存在,即使恢復(fù)常溫,電機的輸出電壓仍不能恢復(fù)至初始狀態(tài)。

3.2 破壞性故障分析

在試驗過程中,當(dāng)溫度達到160～170℃時,渦輪葉片尾部在70 m/s吹風(fēng)條件下折斷,電機的輸出電壓在常溫條件下仍低于12 V的規(guī)定值,不滿足要求?，F(xiàn)從理論角度對其原因進行分析。

3.2.1 渦輪葉片折斷

渦輪葉片在吹風(fēng)條件下折斷,是由塑料老化以及葉片在吹風(fēng)下疲勞累積等因素引起的。研究表明,塑料的老化速度與溫度有關(guān),符合Arrhenius模型,溫度越高,老化速度越快[5]。塑料老化引起渦輪葉片的沖擊強度和彎曲強度等下降,而反復(fù)對渦輪吹風(fēng),則引起疲勞累積,使葉片的疲勞強度下降[6]。沖擊強度、彎曲強度、疲勞強度等不斷下降,最終導(dǎo)致葉片在吹風(fēng)條件下折斷。

3.2.2 葉片折斷對電機輸出的影響

1)葉片折斷對渦輪力矩的影響

查GJB/Z135-2002《引信工程設(shè)計手冊》,渦輪在運行中產(chǎn)生的力矩為:

式(11)中,Mω為渦輪在運行中產(chǎn)生的力矩;n為葉片數(shù)量;rc為渦輪葉片計算半徑;ρ為氣體密度;v為風(fēng)速;σ為單位葉片的入流口處的截面積;r1為渦輪外徑;ψ為氣體損耗系數(shù);a1為渦輪的形狀系數(shù);r2為渦輪內(nèi)徑;ω為渦輪的角速度;β為渦輪的出流角。

由式(11)可知,渦輪在運行中所產(chǎn)生的力矩取決于作用于葉片的氣流流量和出流角β的大小,渦輪葉片如圖4所示[7]。作用于葉片的氣流流量越小,出流角β越大,則渦輪產(chǎn)生的力矩越小。渦輪葉片尾部折斷,一方面使作用于葉片的氣流流量減少,另一方面使該折斷葉片的出流角β增大,因而導(dǎo)致渦輪產(chǎn)生的力矩減小。

圖4 渦輪葉片示意圖Fig.4 Sketch map of turbine lamina

2)渦輪力矩對電機輸出的影響

作用于渦輪轉(zhuǎn)子上的各項力矩如圖5所示。電機的運動方程為[8]:

式中,Mω為氣流作用于葉輪的力矩;Me電磁負載力矩;Mf為摩擦阻力力矩;J為電機轉(zhuǎn)子(含渦輪)的轉(zhuǎn)動慣量。

圖5 作用在轉(zhuǎn)子上的力矩Fig.5 M oment on rotor

對于給定的電機,轉(zhuǎn)子在磁場中所受到電磁轉(zhuǎn)矩與線圈繞組中的電流成正比,即

當(dāng)風(fēng)速小于400 m/s時,電機渦輪的限速作用還未體現(xiàn)出來,此時電機的輸出頻率F與輸出電壓V基本呈線性關(guān)系

由式(18)可知,當(dāng)摩擦阻力力矩 M f一定時,電機的轉(zhuǎn)速與渦輪力矩Mω成正比。由于電機的輸出電壓和頻率與轉(zhuǎn)速成正比,因而也與渦輪力矩成正比。故當(dāng)渦輪葉片折斷時,渦輪產(chǎn)生的力矩減小,從而使電機的輸出電壓和頻率均減小。

3.2.3 軸承潤滑性能下降對電機輸出的影響

電機軸承中的潤滑油為低粘度儀表油,在高溫條件下,潤滑油中輕質(zhì)成分蒸發(fā)損失增大,油脂泄漏、揮發(fā),老化過程加劇,粘度增大,使其潤滑性能下降,摩擦阻力力矩增大[9]。另外潤滑油在高溫作用下,會在與其相接觸的零件上發(fā)生氧化和分解,并產(chǎn)生沉淀物沉積在其表面,污染潤滑系統(tǒng),也會使軸承的摩擦阻力力矩增大。根據(jù)式(18),摩擦阻力力矩Mf增大,將使渦輪轉(zhuǎn)速降低,導(dǎo)致電機輸出電壓和頻率均降低。

通過對引起電機破壞性故障的原因進行分析可知,電機的薄弱環(huán)節(jié)主要在于渦輪葉片折斷和軸承的潤滑性能,對這兩方面進行改進,可有效提高電機的可靠性。

由式(13)-式(17)可知

4 結(jié)論

本文通過對引信用渦輪發(fā)電機實施高溫步進強化試驗,并對4個電機樣本統(tǒng)計分析找到了電機的高溫工作極限和破壞極限分別為(145.7±9.8)℃和(162.9±16.5)℃,發(fā)現(xiàn)了電機在溫度影響條件下出現(xiàn)的主要故障為輸出電壓隨溫度的升高呈拋物線規(guī)律下降且輸出電壓不滿足要求以及渦輪葉片在70 m/s吹風(fēng)條件下尾部折斷。分析了引起電機可恢復(fù)性故障的主要原因為轉(zhuǎn)子中磁性材料的磁性能和線圈電阻隨溫度變化而變化,破壞性故障的主要原因為渦輪葉片折斷和軸承的潤滑性能下降,印證了試驗中所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象及規(guī)律。

[1]Yoon Sang-Hee,Oh Jong-Soo.Miniaturized inertia generators as power supplies for small-caliber fuzes[J].IEEE Tranxactions on Magnetics,2005(7):2 300-2 306.

[2]ZHU J N,LIN G Q.Theelectricity model and computing of fuze turbine alternator[J].Journal of China Ordnance,1993(3):31-37.

[3]張延博.基于虛擬儀器技術(shù)的電子時間引信檢測系統(tǒng)研究[D].石家莊:軍械工程學(xué)院,2008.

[4]閻璐,胡欲立.溫度升高對永磁直流電機效率的影響[J].微電機,2007(3):58-60.YAN Lu,HU Yuli.Influence on efficiency of permanent magnet direct current motor caused by the rise of temperature[J].Micromotors,2007(3):58-60.

[5]龔云表,石安富.合成樹脂與塑料手冊[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1993.

[6]于明,張廣玉.兵器用塑料老化與防老化研究[R].濟南:中國兵器工業(yè)集團53所,2000.

[7]馬力生,張承偉.渦輪交流發(fā)電機輸出特性分析[C]//中國兵工學(xué)會第6屆引信學(xué)術(shù)會議論文集.西安:中國兵工學(xué)會引信專業(yè)委員會,1999:422-425.

[8]顧強,陶勝,安曉紅.引信渦輪電機彈道信息的應(yīng)用研究[J].中北大學(xué)學(xué)報,2008(6):486-489.GU Qiang,TAO Sheng,AN Xiaohong.Application research on trajectory information of the fuze turbine generator[J].Journal of North University of China,2008(6):486-489.

[9]張凱,傅強,黃渝鴻,等.潤滑油貯存壽命的預(yù)測[J].機械工程材料,2005,10(10):44-49.ZHANG Kai,FU Qiang,HUANG Yuhong,ZHOU Dehui.Prediction of shelf-life of lubricating oils[J].Materials for Mechanical Engineering,2005,10(10):44-49.