溫度應力對引信用渦輪發電機的影響

劉加凱,齊杏林,范志鋒,任亮亮,2

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

0 引言

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

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

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品施加遠高于其規范的溫度應力,快速激發產品的潛在缺陷使其以故障的形式表現出來,以便確定電機薄弱環節,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品出現可恢復故障的高溫應力極限值;高溫破壞極限是指使產品出現破壞性故障的高溫應力極限值)。每步保溫完畢,立即在70 m/s的吹風條件下檢測其性能,當電機輸出穩定后,記錄其輸出電壓與頻率。當輸出電壓低于12 V或頻率低于1 k Hz時,將電機恢復至25℃后重新測試,若電機輸出滿足要求,則繼續試驗,若仍不滿足要求,則停止該電機繼續試驗。

2 試驗結果及分析

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,1#、2#、3#、4#電機相繼出現可恢復性故障,即在高溫保持階段,其輸出電壓低于12 V的規定值,而恢復常溫后其輸出又能滿足要求;溫度繼續升高,在160～170℃溫度范圍內,電機相繼出現破壞性故障,即使恢復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。當各電機在高溫條件下輸出電壓低于12 V時,將電機恢復至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中的數據)進行處理。根據殘差最小原則,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

經計算處理,1#-4#電機輸出電壓與溫度關系的回歸方程分別為:

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

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。

利用數理統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中的數據以坐標形式描在圖上,由于數據量偏少且呈直線關系,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,但在規定范圍之內。

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,葉片變硬發脆,韌性變差,且在160～170℃溫度范圍內,1#、2#、4#電機的渦輪葉片尾部在70 m/s的吹風條件下相繼折斷,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,當電機恢復常溫后,其輸出電壓和頻率又有回升。現從理論角度對其原因進行分析。

1)線圈感應電動勢與溫度的關系

根據鐵磁學理論,永磁體的磁感應強度B r隨溫度的升高而降低。

設E為線圈繞組在磁場的相對運動中產生的感應電動勢,根據電機理論[4],有

式中,E(t)為在工作溫度t下線圈繞組中所產生的電動勢;B r(t0)為室溫時的剩余磁感應強度;t為工作溫度;α為溫度系數(負數);n為轉子轉速;C為電動勢常數;K為一個無量綱系數;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。

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

2)線圈電阻與溫度之間的關系

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,電阻與溫度成線性關系

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。

當電機的負載電阻為R1,線圈繞組所產生的電動勢為E(t)時,負載兩端的電壓

根據式(7)、式(8)、式(9)可知,

根據式(10)可知,在轉子轉速n一定的條件下,隨著溫度的升高,電機所產生的感應電動勢降低,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α=-1 200 ppm/℃,銅線的電阻溫度系數β=4 300 ppm/℃。經測量,電機在常溫25℃時的線圈內阻R0=102.4Ω,負載為1 000Ω。設環境溫度為25℃時,電機所產生的電動勢E25=17 V,負載兩端電壓

當環境溫度為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,當頻率(轉速)不變時,引起電機輸出電壓降低的主要原因在于轉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構具有隨轉速提高在離心力作用下變形自適應減速的功能。隨著試驗的進行,由于渦輪材料的剛度下降,較低的轉速即可引起葉片發生變形,使電機的轉速(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、老化等,使其潤滑性能下降,導致電機的摩擦阻力增大,也將使渦輪轉速(頻率)降低,電壓降低。

由于磁感應強度和線圈電阻具有可逆性,所以當電機恢復常溫后,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,即使恢復常溫,電機的輸出電壓仍不能恢復至初始狀態。

3.2 破壞性故障分析

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

3.2.1 渦輪葉片折斷

渦輪葉片在吹風條件下折斷,是由塑料老化以及葉片在吹風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,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,而反復對渦輪吹風,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,最終導致葉片在吹風條件下折斷。

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《引信工程設計手冊》,渦輪在運行中產生的力矩為:

式(11)中,Mω為渦輪在運行中產生的力矩;n為葉片數量;rc為渦輪葉片計算半徑;ρ為氣體密度;v為風速;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;a1為渦輪的形狀系數;r2為渦輪內徑;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,因而導致渦輪產生的力矩減小。

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為電機轉子(含渦輪)的轉動慣量。

圖5 作用在轉子上的力矩Fig.5 M oment on rotor

對于給定的電機,轉子在磁場中所受到電磁轉矩與線圈繞組中的電流成正比,即

當風速小于400 m/s時,電機渦輪的限速作用還未體現出來,此時電機的輸出頻率F與輸出電壓V基本呈線性關系

由式(18)可知,當摩擦阻力力矩 M f一定時,電機的轉速與渦輪力矩Mω成正比。由于電機的輸出電壓和頻率與轉速成正比,因而也與渦輪力矩成正比。故當渦輪葉片折斷時,渦輪產生的力矩減小,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,潤滑油中輕質成分蒸發損失增大,油脂泄漏、揮發,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生氧化和分解,并產生沉淀物沉積在其表面,污染潤滑系統,也會使軸承的摩擦阻力力矩增大。根據式(18),摩擦阻力力矩Mf增大,將使渦輪轉速降低,導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,電機的薄弱環節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 結論

本文通過對引信用渦輪發電機實施高溫步進強化試驗,并對4個電機樣本統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)℃,發現了電機在溫度影響條件下出現的主要故障為輸出電壓隨溫度的升高呈拋物線規律下降且輸出電壓不滿足要求以及渦輪葉片在70 m/s吹風條件下尾部折斷。分析了引起電機可恢復性故障的主要原因為轉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,印證了試驗中所發現的現象及規律。

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