一型电机故障带来的设计改进

王献勇

（航空工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009）

1 产品情况

某型机载光电产品是一个集可见光、红外、激光、精密机械、自动控制、图像处理等多个专业于一体的光电传感器，主要用于昼夜间对环境进行搜索，对目标进行识别、瞄准、跟踪等。光电产品装机位置及示意略图如图1所示。

图1 类似光电产品安装位置及示意略图

光电产品在搜索、跟踪目标的过程中，其俯仰方向运动由控制系统通过内、外俯仰电机驱动俯仰框架实现，方位方向运动由控制系统通过内、外方位电机驱动方位框架实现。控制系统原理如图2所示。

图2 光电产品控制系统原理略图

外俯仰电机部件通过链条驱动外俯仰轴系实现外俯仰框旋转运动。外俯仰电机选用某型电机组合件，由直流电机和齿轮减速箱组成。链轮由主从链轮配合成套使用，主动链轮装配在某型电机减速箱输出轴上，从动链轮安装在外俯仰轴系上。外俯仰链轮传动关系及外俯仰电机部件如图3所示。

图3 外俯仰链轮传动示意图及外俯仰电机部件外形图

2 故障定位

2.1 故障概述

用户将两台光电产品返回厂家，反馈一台产品故障现象为俯仰方向卡滞，另一台故障现象为转塔异常抖动。厂家对两台光电产品进行了通电检测，故障均复现。拆开产品后，发现两台产品的外俯仰电机部件电机输出轴均出现弯曲，造成电机转动异常，影响了产品内部链条的传动和随动控制工作，从而造成产品俯仰方向转动的卡滞和转动过程中塔体的抖动。通过更换外俯仰电机部件，故障现象消失，故障排除，两台产品均恢复正常工作。输出轴弯曲电机如图4所示。

图4 外俯仰电机故障示意图

根据故障现象，结合机械传动工作机理，建立电机输出轴弯曲故障树，如图5所示[1]。

图5 外俯仰电机输出轴弯曲故障分析图

2.1.1 电机减速箱输出轴质量问题排查

电机组合件（包括电机和减速箱）生产厂家为全球范围内高精密电机和驱动系统的产品供应商，该厂家生产的电机质量及技术处于全球领先地位，广泛应用于工业自动化、医疗、安全及航空航天等各领域。本产品选用的是某型标准货架产品，该型电机在其他型号光电产品上均较多采用，未发生过同类问题，其发生质量缺陷的可能性非常低，可以排除。

2.1.2 电机部件装配问题排查

根据图纸要求，电机轴端安装小链轮，通过销钉穿轴进行定位，电机部件安装在主框架上，通过链条驱动大链轮。经查，故障件安装方式与图纸一致。

电机配打销钉在一定程度上会减弱电机轴强度。经查，故障电机弯曲位置为靠近电机减速箱位置，而非配打销钉位置，由此可排除电机配打销钉原因。

在转塔安装工艺中，要求电机部件装配后进行跑合，跑合完成后调整链条松紧度，以保证电机传动平稳、无卡滞。检查故障产品，链条不存在过紧现象，由此排除链条张紧过大导致电机轴弯曲问题。

2.1.3 外俯仰电机齿轮箱输出轴强度不足问题排查

光电产品在载机飞行时，电机输出轴受到扭矩和径向力作用，在此条件下，当最大应力超过材料屈服强度时，可引起电机输出轴弯曲故障。对故障件的分析表明，电机输出轴为悬臂结构，在链条施加的径向力和电机施加的驱动力矩共同作用下，电机输出轴应力超出其材料屈服强度，致使电机输出轴从根部弯曲。外俯仰电机输出轴强度不足是本故障发生的主要原因[2]。

2.2 故障定位结果

外俯仰电机输出轴弯曲是因为该电机输出轴应力超出其材料屈服强度，使电机输出轴从根部出现弯曲，从而导致外俯仰框转动时出现抖动、卡滞或电机轴卡死等故障现象。

3 电机输出轴弯曲故障原因分析

3.1 电机输出轴受力分析

电机输出轴为悬臂结构，外形尺寸为φ6 mm×16 mm。

产品工作过程中，电机驱动力矩通过链传动驱动外俯仰框架，克服摩擦力矩、风阻力矩、不平衡力矩、牵拉力矩及载机摇摆产生的加速力矩等扰动力矩，链传动过程中，输出轴受到电机驱动力矩作用和链条的拉力作用。

3.1.1 输出轴受到的扭矩计算

由某型光电产品设计报告可知，外俯仰框架最大驱动力矩为M=7 N·m。

主从链轮传动比为：

则小链轮上的最大扭矩为：

即输出轴上受到的最大扭矩为1.8 N·m。

3.1.2 输出轴受到的径向力计算

俯仰最大角速度ω：ω=40（°）/s≈0.7 rad/s。

外俯仰框架最大负载功率：

链条传递功率：

从动链轮齿数z2：z2=70；最高转速n2：n2=40（°）/s≈6.7 r/min；节距p：p=6.35 mm。

链条速度v：

有效圆周力Ft：

工况系数f1=1～1.8，其值根据具体工况选取，则作用在输出轴上的径向力FR：

FR=1.2f1Ft=1.2×（1～1.8）×98≈（118～212）N

根据厂家提供的电机选型手册，该型电机减速箱输出轴最大允许输出径向载荷（离法兰10 mm处）为F径向允许=140 N。

根据输出轴受力分析可知，工况系数f1不同，作用在输出轴上的力大小有所差异，电机手册上减速箱输出轴最大允许输出径向载荷为140 N，实际作用在轴上的径向力范围在118～212 N。这表明在较好的工况下该型电机可以满足选型要求，而较差工况下则不能满足选型要求。

3.2 输出轴应力计算仿真分析

查电机手册，减速箱输出轴材料为X12CrMoS17，屈服极限205 MPa，取安全系数1.5，则输出轴材料的许用应力为：

由齿轮箱输出轴受力可知，作用在输出轴上的最大扭矩为1.8 N·m，最大径向力为212 N。对其进行仿真计算。齿轮箱输出轴应力云图如图6所示，输出轴上的最大应力为202.2 MPa，大于电机输出轴材料的许用应力，不满足材料条件要求，电机输出轴在该工况下出现轴弯现象。

图6 电机输出轴应力图

电机轴实际作用力及额定值如表1所示。

表1 电机轴实际作用力及额定值

综上所述，在工况较差的情况下，电机输出轴径向力已经超过最大允许径向载荷（140 N），电机输出轴最大应力超出材料许用应力，将会引起输出轴弯曲变形。

4 问题复现

电机输出轴弯曲问题与产品使用环境工况有关，在试验室条件下较难实现故障复现。仿真分析结果表明，在较差工况下输出轴上的应力值为202.2 MPa，大于材料许用应力136.7 MPa，此时电机轴发生弯曲，通过仿真分析故障问题得以复现。

5 纠正措施

在载机大机动情况下或恶劣环境条件下，电机输出轴最大应力值会超出材料许用应力值，外俯仰电机输出轴应力裕度不足，导致发生电机输出轴弯曲变形现象。优化外俯仰驱动机构传力路线，可以减少或消除电机输出轴承受的径向力，使其满足强度条件要求。

通过分析外俯仰电机部件装配关系可知，增加小链轮支承结构可将小链轮承受的径向力通过轴承、轴承座及电机连接法兰传递到外俯仰主框架上。在该结构条件下，轴承支承结构主要承受径向力作用，电机齿轮箱输出轴受到扭矩作用，如图7所示。

图7 改进设计后电机部件图

按上述工况条件对改进后结构进行仿真计算。电机输出轴反作用力云图如图8所示，齿轮箱输出轴所受的最大径向载荷为64.0 N，远小于齿轮箱输出轴最大允许径向载荷（140 N）。

图8 改进设计后电机输出轴反作用力云图

电机输出轴应力云图如图9所示，输出轴上最大应力为119.22 MPa，小于电机输出轴材料的许用应力。

图9 改进设计后电机输出轴应力云图

综上所述，小链轮增加支承结构后，输出轴实际受到的径向力小于最大允许径向载荷；输出轴最大应力小于材料许用应力，能够满足产品外俯仰链传动要求。

6 验证结果

在试验室条件下，通过力学仿真分析得到：作用在小链轮上的作用力通过支承结构传递到主框架上，电机输出轴此时只承受电机输出轴的扭矩作用，分析结果满足强度要求，电机输出轴理论上不会再发生弯曲现象。

根据力学仿真分析结果，将改进后产品装机，在日常、恶劣环境及大机动条件下使用，均再未发生电机输出轴弯曲故障，从而证明产品上述改进有效，彻底解决了外俯仰电机输出轴弯曲问题。