航空发电机弹性轴脉冲负载下疲劳强度分析方法

2019-08-22史晓阳王立华

船电技术 2019年8期

关键词：转矩发电机寿命

史晓阳，王立华

史晓阳，王立华

（海军装备部，西安 710000）

为了进一步提高航空电机的可靠性，以某型航空交流发电机为例，利用有限元分析，探讨在没有材料疲劳寿命曲线的情况下，估算脉冲力矩作用下电机弹性轴的疲劳寿命以及疲劳安全系数的方法。并通过电机疲劳寿命试验验证了这种分析方法的有效性。

航空电机弹性轴疲劳强度

0 引言

为了满足更加复杂的任务需求，新型飞机用电设备的种类和容量大大增加。尤其是电子战、预警机等特种飞机，机上装备了多种大功率非线性用电负载，如大功率雷达、电子干扰设备等。这些大功率设备在工作中存在周期变化的振荡电流需求，振荡电流需求会通过机上电网传递到发电机端，最终表现为在发电机弹性轴上产生脉冲扭转力矩。脉冲扭转力矩非常容易使弹性轴在应力集中部位产生疲劳断裂。因此，在新型发电机设计时，不但要考虑发电机轴的静强度设计，更要重视轴的抗疲劳强度设计。

近两年，连续发生的多起电机弹性轴断裂故障，也说明了弹性轴抗疲劳强度设计的重要性。为了进一步提高航空发电机的可靠性，研究航空电机弹性轴抗疲劳设计方法，本文以某型航空发电机为例，使用CATIAV5.R18进行三维建模，利用MSC有限元软件进行建模和疲劳分析，探讨在没有材料疲劳寿命曲线的情况下，发电机弹性轴脉冲扭转力矩作用下的疲劳强度分析方法。

1 发电机弹性轴介绍和建模

1.1 弹性轴介绍

电机弹性轴通过两端花键与发动机传动机构以及发电机转子连接。发电机发电时，发动机通过传动机构连接弹性轴带动发电机转子转动发电。为了在异常情况下保护发动机和电机，在弹性轴上设计了一处安全剪切段，如图1所示。剪切段保证在发生机械故障时，弹性轴能及时从此处断裂，使发电机与发动机传动机构脱开，从而阻止故障的扩大，起到保护发动机和电机的目的。剪切段要起到保护功能，需要将剪切段设计为整个零件轴向的最小截面。因此，如果产生疲劳失效，这里也将是最危险截面。

根据弹性轴零件图，在CATIAV5.R18中建立1：1的三维模型。

图1 弹性轴模型

1.2 建立弹性轴有限元模型

为了提高计算效率和关键部位的计算精度，对模型非关键几何特征进行了简化，对剪切径处的网格进行了细化，剪切段的界面尺寸为Φ14.5 mm，因此将该处网格尺寸设定为0.5 mm，是其直径尺寸1/23。根据经验，关键部位的网格尺寸小于其几何尺寸的1/20即可保证分析计算的准确性。划分结果如图2所示。

图2 模型网格

2 S-N曲线估计和疲劳载荷的确定

2.1 弹性轴材料S-N曲线估计

弹性轴所用材料牌号为50CrVA优质弹簧钢（零件热处理要求为HRC42～46），查阅《中国航空材料手册结构钢》材料主要机械特性见表1[1]。

材料的S-N曲线需要根据相关标准对材料进行疲劳试验得出，其中不但要规定出不同的交变载荷，而且还要具有一定量的试验样本，最终对试验结果进行统计得出存活率，进而确定材料的S-N曲线[2]。而这些工作在一般的企业中是无法完成的，即使在《中国航空材料手册》中也只存在个别常用材料的S-N曲线。由于无法得到材料确切的S-N曲线，根据《机械工程手册》理论，零件在扭转应力下取103次循环对应疲劳极限为0.9=1326 MPa，取107次循环为曲线转折点，对应疲劳极限为0.58-1=394 MPa[2]。曲线到转折点后为一条直线，此时材料为无穷寿命。

此时得出的材料疲劳极限为理论值，根据工程经验，零件在整个生产过程要经历多种工艺过程，如机械加工、热处理、表面处理等。根据材料力学的理论可知，影响材料疲劳极限的主要因素有以下几点:

1）应力集中系数[3]

根据弹性轴实际尺寸结构查《机械设计手册》（第2册图11.4-13）=1.5。

2）尺寸系数[4]

根据《材料力学》（下册）中表13-1得到=0.83。

3）表面质量系数[5]

综合以上因素，得出一个影响材料疲劳极限的因子：

则材料实际的扭转剪切疲劳强度：

由于2=SRI1×b394为幂常量，MSC.Fatigue需要的参数量分别是SRI1和两段直线的斜率1和2，带入上图的已知参数，计算求得SRI1=2933 MPa，1=-0.132，2=0。将参数分别输入到MSC.Fatigue中得到图4曲线。

2.2 发电机载荷确定

本文选择发电机的额定功率为60 kVA，负载交流电流峰值波形包络变化频率为23 Hz，直流脉冲负载周期=43.5 ms，占空比50%。交流电流峰值相电流在190～220 A之间变化，峰值变化幅值为30 A，即交流电流有效值在135～156 A之间变化，有效值变化幅值为21 A。

图3 近似S-N曲线

图4 仿真S-N曲线

真实准确的转矩特性曲线，只有通过机上试验测试来获得。但是这种试验的成本很大，因此需要对电机转矩曲线进行估算。忽略转子机械特性、控制环节等因素，假设在加载过程中发电机端电压不发生改变，电机将电功率的变化直接转换为输入转矩的变化。

由于电机具有一定的电感特性，这会使电源系统在动态负载下产生一个很短的延时，即电机本身会减缓负载突然变化所造成的冲击。同样控制器也存在一个反应时间，但是经过试验表明，相对电机而言控制器的延时会非常短。转动惯量是转子的物理惯性，同样也会减缓负载变化造成的冲击。综上所述，忽略掉的因素都会对最终的输入转矩起阻尼作用，即减缓负载冲击带来的转矩的变化速率。

将负载电流的变化转化为功率的变化值，进而求得输入转矩的变化规律[5]：

当最小负载min=135 A时

min=120×135×3=48.6 kW；

当最大负载max=156 A时

max=120×156×3=56.16 kW。

最小转矩

最大转矩：

以68.25 N.m为基准载荷，变化范围为：

根据负载交流电流峰值波形可以得出载荷曲线如图5。

图5 疲劳载荷单周期曲线

由于本次采用3D实体模型进行分析，而实体单元只有三个平动自由度，无法直接在弹性轴上施加具有旋转自由度的转矩载荷。因此采用软件中MPC（多点约束）的方法，将单节点的自由度与弹性轴承载部分的节点进行关联，进而将转矩载荷施加在沿零件轴向建立的单节点上，通过自由度的关联最终将载荷施加在弹性轴上。

3 疲劳强度分析

3.1 基础载荷稳态分析

图6 最小静态载荷下应力分布

图6为电机在135 A负载下承受静态载荷时的应力分布，最大应力点在剪切径处，其值为280 MPa，远小于材料的强度极限。

3.2 疲劳分析

图7为弹性轴疲劳寿命指数分布图，寿命值为1020循环次数，远大于107，并且整体结构寿命分布的一致性表示弹性轴为无穷寿命设计。

图7 弹性轴疲劳寿命分布

3.3 疲劳安全系数的计算

图8 最大转矩时的应力分布

从图8中可以看出最大应力max=324 MPa。从图6中可以得到最小应力min=280 MPa，则[6]：

疲劳安全系数

经仿真分析，发电机负载电流有效值在135～156 A之间变化时，弹性轴可以承受1020次负载变化。因此，发电机弹性轴在不会出现疲劳断裂现象，其疲劳安全系数为2.05，满足一般航空机械结构件的许用安全系数不小于1.5的要求，可以保证发电机在承受机上任务负载时的工作可靠性。

4 弹性轴疲劳试验验证

2016年9月，依据《XX交流发电机疲劳寿命试验大纲》完成了弹性轴疲劳寿命试验。根据大纲要求，交流电流峰值波形包络变化频率为23 Hz，直流脉冲负载周期=43.5±2 ms，占空比50%，交流电流峰值在190～220 A之间变化，峰值变化幅值为30 A，交流电流有效值下限为135±4 A（对应功率48 kVA），上限为156±4.7 A（对应功率56.16 kVA）之间变化，有效值变化幅值为21 A。

试验考核采用等效加速试验的方法，发电机施加直流脉冲负载107次，试验过程中电机工作正常。试验结束后，对发电机弹性轴进行目视检查与磁粉探伤检。检测结果表明：弹性轴外观检查未见异常，磁粉探伤结果无裂纹。