交流发电机风扇组件断裂故障分析

王凤， 成智会， 朱丽

（陕西航空电气有限责任公司，陕西兴平713107）

交流发电机风扇组件断裂故障分析

王凤， 成智会， 朱丽

（陕西航空电气有限责任公司，陕西兴平713107）

某交流发电机在进行振动试验时，风扇组件的叶片断裂、铆钉断裂。分析发现，经过盐浴钎焊，风扇叶片的抗拉强度降低，在振动过程中使风扇叶片产生过载断裂，铆钉疲劳断裂。取消风扇组件的盐浴钎焊，将风扇叶片厚度由0.6 mm改为0.8 mm，铆钉直径由φ2 mm增加到φ2.5 mm，轴套的划窝角度由60°改为90°，成功地解决了该问题。

盐浴钎焊；叶片；铆钉；断裂

0 引言

风扇组件是交流发电机的重要部件，目前，按风扇工作时空气流动的方向可分为轴流风扇和径流风扇（离心式），本文研究的交流发电机用风扇为径流式。某交流发电机在进行振动试验时，出现风扇组件叶片断裂、铆钉断裂现象。为此，综合运用冶金分析、结构分析及模拟比对试验，找出了导致风扇组件叶片及铆钉断裂的原因，并提出改进和预防措施。

1 故障分析

1.1 故障现象

某交流发电机进行振动试验时，出现风扇组件的12个叶片断裂，6个铆钉断裂故障，断裂形貌及结构如图1、图2所示。

图1 风扇组件叶片断裂形貌

图2 风扇组件铆钉断裂形貌

图3 风扇组件结构图

1.2 风扇组件结构

风扇组件由轴套、支撑环、风扇叶片组成，轴套材料为2A12，支撑环材料分别为厚0.6 mm、1.0 mm的3A21，风扇叶片材料为厚0.6 mm的3A21，铆钉为HB6233-2×5（直径φ2），如图3。

风扇组件加工工艺是先将两支撑环和风扇叶片铆接在一起后，再进行盐浴钎焊、黑色阳极化，最后铆接轴套、车外圆、校叶片、校偏摆、喷漆。

1.3 铆钉断裂原因分析

1）铆钉断裂冶金分析。

经过检查发现，6个断裂铆钉中1#铆钉断裂于铆钉圆头根部；2#铆钉断裂于靠近铆钉平头端的轴套装配孔处，断口较新，呈金属灰色；其余4个铆钉即3#、4#、5#、6#铆钉均断裂于铆钉圆头与平头的中部，即断裂位于铆钉连接的支撑环A和轴套的接触面处。

断口经清洗后，于VEGAⅡLMH扫描电镜下观察：1#、2#铆钉断口均为线源，并向中心扩展，其中1#铆钉断口全貌见图4。其余4个铆钉断口磨损严重，均已看不到原始断裂特征。1#铆钉源区、扩展区、瞬断区形貌分别见图5～图7，源区有擦伤痕迹，扩展区可见疲劳条带，瞬断区为韧窝特征。

图4 1#铆钉断口形貌

图5 1#铆钉断裂源区形貌

图6 1#铆钉扩展区形貌

图7 1#铆钉瞬断区形貌

图8 轴套示意图

由断口分析可知，1#、2#铆钉断口较新，为疲劳断裂；3#、4#、5#、6#铆钉断口呈暗黑色，已磨损，说明3#、4#、5#、6#铆钉早于1#、2#铆钉断裂。由于首断件断裂后振动试验还在进行，所以断口磨损严重，已无法从3#、4#、5#、6#铆钉中找出首断件。但由振动试验的试验特性分析可知，首断件也应为疲劳断裂。

2）铆钉铆接结构薄弱环节分析。

风扇组件的支撑环和轴套用铆钉进行铆接时，铆钉的实体通过变形填充于轴套的60°划窝中。经过复查资料发现：轴套铆接处的厚度为1.5 mm，在1.5 mm的厚度内全部划60°窝，见图8所示。经查阅资料可知，轴套材料为2A12、T4态，其强度远远高于铆钉材料 3A21、Y态，也就是说，轴套装配孔与铆钉的外圆处形成线接触，与铆接时形成的残余内应力的叠加，在铆钉杆外表面形成较大的应力集中。电机在振动试验过程中，铆钉会受到一交变外力，首先在应力集中部位形成疲劳源，随着振动时间的延长裂纹进一步扩展，最终导致疲劳断裂。

1.4 风扇叶片断裂原因分析

1）风扇叶片断裂冶金分析。

经分解检查发现，风扇组件的12个叶片均从靠近支撑环B连接根部断裂。除断裂叶片1#的外端有变形损伤外，其余叶片断口均较平齐。整个断面约50%面积有擦伤，呈金属光泽外，其余部分断口呈黑灰色。

断口经清洗后，于VEGAⅡLMH扫描电镜下观察，1#断口边缘损伤形貌如图9所示；12个叶片断口特征相同，均为擦伤加韧窝形貌，其中3#叶片断口形貌如图10所示。

图9 1#叶片断口损伤形貌

图10 3#叶片断口韧窝形貌

由断口分析可知，该风扇叶片断裂为一次性过载断裂。1#叶片外端变形损伤可能是由于断裂的铆钉头掉落于壳体与风扇组件的空隙中，启动电机时产生卡滞，或风扇叶片断裂后振动试验继续进行等导致；另外，风扇叶片整体过载断裂说明该叶片受到的外力大于其所能承受的强度极限，或风扇叶片强度不足。

2）历年产品检查及同类风扇比对。

对历年振动试验后的产品进行分解检查，其中一台产品12个风扇叶片中有8个风扇叶片在靠近支撑环B端有裂纹。另一台产品12个风扇叶片中有10个风扇叶片在靠近支撑环B端根部有裂纹。由此可见，风扇组件的叶片强度可能不足，风扇叶片存在一定的薄弱环节。

与同类产品某起动发电机的风扇组件相比，该交流发电机的风扇组件在加工过程中增加了盐浴钎焊工序，而未进行盐浴钎焊的某起动发电机风扇组件在多年使用过程中未出现断裂现象，可见盐浴钎焊可能对风扇组件叶片强度有一定影响。

3）盐浴钎焊对风扇材料性能的影响。

盐浴钎焊是将零件局部或整体投入熔融态的盐混合物（盐浴）中，利用液态焊料在零件表面的润湿，铺层与零件相互溶解和扩散，在零件间隙中润湿、毛细流动、填缝从而实现零件间的连接。盐浴是加热和保护零件不受氧化的介质，温度达到615～620℃。

风扇叶片使用的材料为3A21-H14铝合金板，标准YS/ T213-1994，抗拉强度150～220 MPa。为了验证焊接前后风扇叶片材料的性能，抽取厚度分别为0.6 mm、0.8 mm的试片进行焊接前后性能检测，数据见表1。

表1 焊接前后性能测量数据

从表1可以看出，经过盐浴钎焊，风扇叶片的抗拉强度降低约30%～40%，延伸率提高约3～6倍。

因此，经过盐浴钎焊，风扇叶片的抗拉强度降低。在振动过程中使风扇叶片产生过载断裂。

2 改进方案及试验验证

2.1 改进方案

1）增加风扇叶片的厚度，将叶片厚度由0.6 mm改为0.8 mm，以提高风扇叶片的强度；

2）取消风扇组件的盐浴钎焊；

3）铆钉由φ2 mm增加到φ2.5 mm，以提高铆钉的强度，增加铆钉的抗剪能力；

4）轴套划窝处增加直线部分0.2+0.150mm，将线接触改为面接触，以减少应力集中；轴套外圆相应地增加到φ62 mm，同时将划窝角度由60°改为90°，以提高铆接强度，如图11所示。

图11 改进前、后示意图

2.2 试验验证

为了验证改进方案的有效性，将两台定期产品的风扇组件更换为不进行盐浴钎焊、风扇叶片0.8 mm、铆钉HB6233-2.5×5、轴套结构为改进后的风扇组件，按照某交流发电机技术要求进行振动、冲击试验及加速度试验。试验后检查发现风扇组件叶片、铆钉均完好、无裂纹。

为了全面验证改进后风扇组件的环境适应性，按照某交流发电机技术要求从改进风扇组件的批生产产品中再抽取2台进行高温、低温、振动、冲击、加速度、高空、耐久性等环境试验。试验后检查发现风扇组件叶片、铆钉均完好、无裂纹。

3 结论

1）某交流发电机风扇组件叶片断裂为过载断裂，叶片过载断裂与叶片经盐浴钎焊导致强度降低有关。

2）风扇组件铆钉断裂为疲劳断裂，铆钉疲劳断裂主要是由于轴套划窝结构设计不合理导致。

3）取消风扇组件的盐浴钎焊，将风扇叶片厚度由0.6mm改为0.8 mm，铆钉直径由φ2 mm增加到φ2.5 mm，轴套划窝角度由60°改为90°，轴套划窝处增加直线部分0.2+0.150，解决了某交流发电机风扇组件断裂的问题，提高了产品可靠性和安全裕度。

［1］ 胡世炎.机械失效分析手册（修订本）［M］.成都：四川科学技术出版社，1999.

［2］ 张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［3］ 孙智，江利，应鹏展.失效分析基础与应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］《中国航空材料手册》编辑：委员会.中国航空材料手册［M］.北京：中国标准出版社，1988.

（编辑：立 明）

Fracture Failure Analysis for a AC Generator Fan Assembly

WANG Feng,CHENG Zhihui,ZHU Li
（Shaanxi Aero Electric Co.,Ltd.,Xingping 713107,China）

While an alternator is under the vibration-resistance,it is found that the vanes and rivets of the fan subassemblies are broken.The analysis found that the salt-bath and brazing could weaken the strength of extension, that would lead to the fatigue breaking of the rivets,and the overload breakage of the vanes.Then abolish the salt-bath and brazing of the fan subassembly,the thickness of the vanes is changed from 0.6mm to 0.8mm,the diameter of the rivets is increased from 2 to 2.5,the row nest angle of the shaft sleeve is altered from 60o to 90o and it work.

salt-bath and brazing;vane;rivet;breakage

TH 162.1

A

1002－2333（2014）04－0081－03

王凤（1980—），女，工程师，主要从事电机装配、试验、工艺及故障分析等方面的工作。

2014-01-24