秦 虎，王孝利，程 遠(yuǎn)，羅新華

(1.駐上海航天局中心軍代室，上海201109;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

高轉(zhuǎn)速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的壽命試驗(yàn)是電動(dòng)機(jī)鑒定試驗(yàn)的最后一個(gè)關(guān)鍵步驟。由于對(duì)高轉(zhuǎn)速的認(rèn)識(shí)不足，在利用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法進(jìn)行的初次壽命試驗(yàn)中，在經(jīng)過(guò)近140 h后發(fā)生異常，被測(cè)電機(jī)停轉(zhuǎn)，有明顯的焦糊味，并且驅(qū)動(dòng)器外圍電路板一相布銅完全過(guò)熱燒斷，還有一相布銅也有過(guò)熱痕跡尚未完全熔斷。壽命試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為150 h，要求加載，為間歇工作制，每個(gè)工作周期通電10 min，休息10 min。壽命試驗(yàn)的加載是采用兩個(gè)電機(jī)(主動(dòng)電機(jī)和被動(dòng)電機(jī))對(duì)拖的方式。圖1為壽命試驗(yàn)原理圖。

圖1 試驗(yàn)原理圖

1 故障分析

首先分別對(duì)驅(qū)動(dòng)器和被測(cè)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)復(fù)測(cè)，物理分解表明驅(qū)動(dòng)器工作基本正常。轉(zhuǎn)軸可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有卡死。但具有明顯糊味且電阻值發(fā)生異常:三相繞組不平衡，有兩組繞組電阻超差，這些跡象顯示被測(cè)電機(jī)出現(xiàn)了過(guò)流，繞組匝間短路。如圖2所示，建立故障樹進(jìn)行分析后可以確定是由于被測(cè)電機(jī)卡死導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀。因此以被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸卡死為故障對(duì)象繼續(xù)分析，根據(jù)故障現(xiàn)象和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝，以轉(zhuǎn)軸卡死為頂事件，建立故障樹進(jìn)行分析。

圖2 被測(cè)電機(jī)故障樹

1.1 鎖制器繞組開(kāi)路及鎖制器機(jī)械故障

測(cè)量電機(jī)鎖制器繞組電阻，電阻值正常。排除鎖制器繞組開(kāi)路造成故障的可能。接著對(duì)鎖制器通電仍然可以看到動(dòng)鐵心的吸合動(dòng)作，且通電吸合時(shí)鎖制器動(dòng)鐵心端面和靜鐵心端面緊密貼合，工作可靠，排除了鎖制器失效可能。

1.2 定轉(zhuǎn)子之間機(jī)械干涉

拆解故障電機(jī)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，靠近尾部的軸承完全損壞，磁鋼磨損嚴(yán)重，磁鋼粉末和碎塊散落吸附在定轉(zhuǎn)子的間隙中。如圖3、圖4所示。磁鋼破碎及軸承造成定轉(zhuǎn)子干涉，轉(zhuǎn)軸無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。

該電機(jī)的單邊氣隙極小(0.8 mm)，通過(guò)模擬試驗(yàn)可知:如果磁鋼先破損造成定轉(zhuǎn)子干涉，轉(zhuǎn)軸將立刻卡死，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)將堵轉(zhuǎn)燒毀，不會(huì)造成被測(cè)電機(jī)如此嚴(yán)重的破環(huán)。故可判定被測(cè)電機(jī)是尾部軸承首先失效，使轉(zhuǎn)軸偏移，定轉(zhuǎn)子在高速情況下劇烈摩擦，尾部磁鋼最終碎裂，接著碎塊填充氣隙，轉(zhuǎn)軸卡死，最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)停止。

1.3 軸承失效分析

該電機(jī)發(fā)生失效的是尾部軸承，該型軸承的轉(zhuǎn)速、壽命、載荷這幾個(gè)參數(shù)的標(biāo)稱滿足電機(jī)總體要求，且故障電機(jī)在壽命試驗(yàn)之前已完成所有性能檢驗(yàn)項(xiàng)目及超速、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)、機(jī)電時(shí)間常數(shù)、電感、低溫低氣壓、高溫低氣壓、穩(wěn)態(tài)加速度、沖擊、隨機(jī)振動(dòng)、特殊振動(dòng)等一系列試驗(yàn)。核算所有試驗(yàn)對(duì)于軸承會(huì)造成的影響，所經(jīng)歷的振動(dòng)、沖擊和加速度試驗(yàn)均不超過(guò)軸承所能承受的負(fù)荷。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以排除軸承選型不當(dāng)造成的故障分支。

進(jìn)一步復(fù)查圖紙、工藝、裝配工序及過(guò)程檢驗(yàn)及軸承出廠質(zhì)量一致性檢驗(yàn)紀(jì)錄，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配公差均滿足和該電機(jī)規(guī)范要求。結(jié)合對(duì)同批次軸承使用情況的復(fù)查，可排除裝配不當(dāng)和軸承自身質(zhì)量問(wèn)題的可能。

1.4 軸承在試驗(yàn)中受力不當(dāng)

試驗(yàn)采用的是傳統(tǒng)電機(jī)對(duì)拖方式。主動(dòng)電機(jī)和被動(dòng)電機(jī)放在一個(gè)V形塊上，軸伸連接使用一波紋管，波紋管用兩個(gè)螺釘和電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸伸固定。所用V形塊的安裝槽為一刀加工出來(lái)，線性度為0.02 mm，電機(jī)的軸伸外圓對(duì)機(jī)殼同軸度可達(dá)到0.02 mm。在試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)波紋管存在變形，和軸伸存在較大間隙，被測(cè)電機(jī)軸伸不能順利進(jìn)入波紋管，如圖5所示，徑向變形量約為1 mm，產(chǎn)生一定的徑向壓力。經(jīng)回顧，這種測(cè)試方法曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)波紋管壽命試驗(yàn)電機(jī)軸承失效的故障案例，但當(dāng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于該電機(jī)。綜上分析，轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)通過(guò)波紋管對(duì)軸承造成軸向受力是導(dǎo)致軸承損壞的根本原因。

圖5 波紋管有彎曲變形

2 機(jī)理分析及驗(yàn)證

波紋管聯(lián)軸器的試驗(yàn)方法采用高柔性不銹鋼，具有高扭矩剛性、良好的穩(wěn)定性的特點(diǎn)。但是距離驅(qū)動(dòng)電機(jī)越遠(yuǎn)，撓動(dòng)程度放大越大，所受到的徑向偏擺影響也最大，近似懸臂梁，如圖6所示。而且由于電機(jī)外形設(shè)計(jì)限制，尾部軸承比軸伸端軸承尺寸小，承載荷也小，受力卻是最大的。這與試驗(yàn)中兩個(gè)電機(jī)的四個(gè)軸承中被動(dòng)電機(jī)的尾部軸承會(huì)最先損壞的實(shí)施相符。而波紋管的彎曲變形會(huì)給電機(jī)軸承上造成一定的附加徑向壓力，進(jìn)一步增加軸承尤其是被動(dòng)機(jī)尾部軸承的負(fù)荷壓力，影響軸承壽命。

圖6 剛性系統(tǒng)越遠(yuǎn)處的擾動(dòng)越大

為了驗(yàn)證上述分析，采用兩臺(tái)同型電機(jī)進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。為加快試驗(yàn)進(jìn)程，且盡量模擬故障情況，采取了人為安裝不同軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的方式。偏移量約為1.2 mm，如圖7 所示，每 4小時(shí)監(jiān)測(cè)，連續(xù)運(yùn)行近70 h發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音較大，但電流正常;運(yùn)轉(zhuǎn)75 h后被測(cè)電機(jī)出現(xiàn)明顯異常噪聲，尾部銷盤出現(xiàn)偏擺。拆解電機(jī)并對(duì)尾部軸承進(jìn)行失效分析，與理論分析相符。試驗(yàn)說(shuō)明波紋管因剛性較大，近似剛性連接，不同心條件下，被測(cè)電機(jī)尾部軸承撓動(dòng)和負(fù)荷增大，從而影響壽命。

圖7 故障模擬

3 試驗(yàn)方法分析及改進(jìn)

綜上所述，應(yīng)采用柔性連接，并盡量保證同軸安裝的試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行高轉(zhuǎn)速電機(jī)的壽命試驗(yàn)。首先，V形試驗(yàn)支架線性度經(jīng)測(cè)量為0.02 mm。抽取同批次電機(jī)3臺(tái)，以電機(jī)外圓定位測(cè)量軸伸徑向圓跳動(dòng)，為0.01～0.012 mm，說(shuō)明如果以電機(jī)外圓作為安裝定位面安裝在V形試驗(yàn)支架上，可以保證軸伸同軸度良好。其次，對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)器件的連接件進(jìn)行廣泛分析，所使用的聯(lián)軸器以插銷撥動(dòng)聯(lián)軸器和圓形膜片聯(lián)軸器居多。但插銷撥動(dòng)聯(lián)軸器雖然能解決對(duì)拖試驗(yàn)軸承失效的問(wèn)題，但高速運(yùn)動(dòng)中力矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)會(huì)造成插銷和銷孔之間的高頻碰撞，極易造成插銷、插孔變形或者插銷脫落。最終決定采用圓形膜片聯(lián)軸器，如圖8所示，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、慣性小，具有高扭轉(zhuǎn)剛性。且有較強(qiáng)的補(bǔ)償徑向、角向和軸向偏差能力，具有零回轉(zhuǎn)間隙，順、逆時(shí)針回轉(zhuǎn)特性完全相同。由于圓形膜片聯(lián)軸器軸向、徑向柔性大，在高精度、高轉(zhuǎn)速機(jī)械結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用。

圖8 圓形膜片聯(lián)軸器

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了不同聯(lián)軸器時(shí)的受力狀況如表1、表2所示，測(cè)量了相同口徑的波紋管和圓形膜片兩種聯(lián)軸器在軸向、徑向偏移量達(dá)到1 mm時(shí)的回彈力，對(duì)比電機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，在相同偏移量的條件下，波紋管聯(lián)軸器產(chǎn)生的回彈力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓形膜片聯(lián)軸器產(chǎn)生的回彈力。所以選用圓形膜片聯(lián)軸器能有效降低電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所受載荷，更好地保護(hù)軸承。

表1 聯(lián)軸器變形量1 mm時(shí)的軸向、徑向回彈力

表2 徑向自身振動(dòng)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了針對(duì)高轉(zhuǎn)速電機(jī)壽命試驗(yàn)方法，使用圓形膜片聯(lián)軸器，提供足夠的旋轉(zhuǎn)剛性，又可以彌補(bǔ)一定的軸向和徑向的撓動(dòng)，避免剛性連接時(shí)長(zhǎng)時(shí)間撓動(dòng)對(duì)被動(dòng)電機(jī)尾部軸承造成損壞。以新試驗(yàn)方法對(duì)該型電機(jī)進(jìn)行鑒定檢驗(yàn)，累計(jì)通過(guò)了150 h的壽命考核(是失效試驗(yàn)2倍多)，證明現(xiàn)在采取的試驗(yàn)方法是切實(shí)有效的。

對(duì)于高速電機(jī)帶載壽命試驗(yàn)，為防止因安裝不當(dāng)引起的故障，應(yīng)采用彈性連接方式，輔以自身振動(dòng)測(cè)試判斷安裝的恰當(dāng)方式。

［1］楊渝欽.控制電機(jī)［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.